DE102010002979A1

DE102010002979A1 - Method for recording e.g. concentration, of gaseous fluid medium, in exhaust gas in exhaust passage of internal combustion engine of motor car, involved closing impinging of liquid from fluid medium by short term waste of temperature

Info

Publication number: DE102010002979A1
Application number: DE201010002979
Authority: DE
Inventors: Bettina Schmidt; Juergen Wilde; Jan Hufnagl; Helge Schichlein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2011-09-22

Abstract

The method involves utilizing a sensing element (112) with a heating element (116) and temperature sensor (122), where the sensor element is heated by the heating element in a droplet detection process. A temperature of the sense element is detected by the temperature sensor, and an impinging of liquid i.e. droplet, from a fluid medium on the sense element is closed by a short term waste of the temperature, in particular a temperature peak. The droplet detection is performed when the temperature of the fluid medium reaches temperature condition. An independent claim is also included for a device for recording a property of a fluid medium, comprising a heating element.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung einer oder mehrerer Eigenschaften eines fluiden Mediums, insbesondere eines gasförmigen und/oder flüssigen fluiden Mediums. Insbesondere kann es sich bei dem fluiden Medium um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln, beispielsweise um ein Abgas in einem Abgastrakt eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. Bei der mindestens einen Eigenschaft des fluiden Mediums, welche beispielsweise qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden kann, kann es sich beispielsweise grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Größen oder Parameter handeln, wie beispielsweise Druck, Temperatur, Konzentrationen oder Partialdrücke einer oder mehrerer Komponenten des fluiden Mediums, einen Tröpfchenanteil fluider Bestandteile des fluiden Mediums oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Messgrößen.The invention is based on known methods and devices for determining one or more properties of a fluid medium, in particular a gaseous and / or liquid fluid medium. In particular, the fluid medium may be an exhaust gas of an internal combustion engine, for example an exhaust gas in an exhaust gas tract of an internal combustion engine of a motor vehicle. For example, the at least one property of the fluid medium, which can be detected qualitatively and / or quantitatively, may in principle be any physical and / or chemical parameters or parameters, such as pressure, temperature, concentrations or partial pressures of one or more components the fluid medium, a droplet content of fluid constituents of the fluid medium or combinations of said and / or other measured variables.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensoren zur Erfassung einer oder mehrerer Eigenschaften fluider Medien bekannt. Insbesondere sind Abgassensoren bekannt, welche einen keramischen Schichtaufbau aufweisen und welche beispielsweise in Abgasreinigungsvorrichtungen von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden können. Beispiele derartiger Abgassensoren sind Sensoren zur Messung eines Sauerstoffgehalts des Abgases. Weiterhin sind beispielsweise Partikelsensoren bekannt. JP-2001348265 A beschreibt beispielsweise einen auf Aluminiumoxid basierenden kompakten keramischen Heizer und Abgassensor.Numerous sensors for detecting one or more properties of fluid media are known from the prior art. In particular, exhaust gas sensors are known, which have a ceramic layer structure and which can be used for example in exhaust gas purification devices of internal combustion engines. Examples of such exhaust gas sensors are sensors for measuring an oxygen content of the exhaust gas. Furthermore, particle sensors are known, for example. JP-2001348265 A describes, for example, an alumina-based compact ceramic heater and exhaust gas sensor.

Neben einer Temperatur und/oder einer Zusammensetzung des fluiden Mediums, insbesondere des Abgases, ist in vielen Fällen ein Wassereintrag oder ein anderer Flüssigkeitseintrag in das fluide Medium eine wichtige Messgröße, die zu erfassen ist. Beispielsweise beschreibt DE 10 2008 040 593 A1 ein Verfahren zum Ermitteln eines Maßes für den Wassereintrag in den Abgaskanal einer Brennkraftmaschine. Bei dem Verfahren wird ein Abgassensor mit einem Heizelement verwendet. Die dem Heizelement zugeführte Heizenergie wird ermittelt, wobei unter anderem Änderungen der Heizleistung erfasst werden. Während eines Messvorgangs wird der Abgassensor mit einem Abgassensor-Diagnosetemperatur-Sollwert betrieben, der oberhalb der Verdampfungstemperatur von Wasser und unterhalb einer Gefährdungstemperatur des Abgassensors liegt.In addition to a temperature and / or a composition of the fluid medium, in particular the exhaust gas, in many cases a water entry or other fluid entry into the fluid medium is an important parameter to be detected. For example, describes DE 10 2008 040 593 A1 a method for determining a measure of the entry of water into the exhaust passage of an internal combustion engine. The method uses an exhaust gas sensor with a heating element. The heating energy supplied to the heating element is determined, among other things, changes in the heating power are detected. During a measurement operation, the exhaust gas sensor is operated with an exhaust gas sensor diagnostic temperature setpoint that is above the vaporization temperature of water and below a hazardous temperature of the exhaust gas sensor.

Nach wie vor besteht jedoch eine technische Herausforderung in vielen Fällen darin, Sensoren für fluide Medien, insbesondere für Abgassysteme, bereitzustellen, deren Sensorfunktionen und Signale eine hohe Robustheit aufweisen. Sind mehrere Sensorfunktionen vorgesehen, so sollen diese im Betrieb unabhängig voneinander funktionieren, sich gegenseitig nicht negativ beeinflussen und doch vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse oder Sensorelement aus Kostengründen integriert sein. Insbesondere eine Vorrichtung für eine Tröpfchendetektion und Temperaturdetektion mit den vorbeschriebenen Eigenschaften wäre für die Abgasüberwachung wünschenswert.However, a technical challenge in many cases remains to provide sensors for fluid media, in particular for exhaust systems, whose sensor functions and signals have a high degree of robustness. If several sensor functions are provided, they should function independently of each other during operation, they should not adversely affect each other and yet preferably be integrated in a common housing or sensor element for cost reasons. In particular, an apparatus for droplet detection and temperature detection with the above-described properties would be desirable for exhaust gas monitoring.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es werden dementsprechend ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die oben beschriebenen technischen Herausforderungen zumindest weitgehend lösen und welche die genannten Eigenschaften in hohem Maße verwirklichen. Insbesondere können das Verfahren und die Vorrichtung zur Erfassung mehrerer Eigenschaften des fluiden Mediums eingerichtet sein, beispielsweise zur Erfassung einer Temperatur und zur Erfassung einer Tröpfchenzahl. Auch andere der oben genannten Eigenschaften des fluiden Mediums sind jedoch grundsätzlich, alternativ oder zusätzlich, einzeln oder in Kombination, messbar.Accordingly, a method and a device for detecting at least one property of a fluid medium are proposed which at least largely solve the technical challenges described above and which realize the said properties to a high degree. In particular, the method and the device for detecting a plurality of properties of the fluid medium can be set up, for example for detecting a temperature and for detecting a droplet number. However, other of the above-mentioned properties of the fluid medium are in principle, alternatively or additionally, individually or in combination, measurable.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Sensorelement verwendet, welches mindestens ein Heizelement und mindestens einen Temperaturfühler aufweist. Bei dem Heizelement kann es sich insbesondere um mindestens einen Heizwiderstand, beispielsweise um mindestens einen Heizmäander, handeln. Bei dem mindestens einen Temperaturfühler kann es sich beispielsweise um einen Temperaturmesswiderstand handeln, beispielsweise um einen Temperaturmessmäander. Das Heizelement und/oder der Temperaturfühler können insbesondere in einer Dickschichttechnik hergestellt sein. Das Sensorelement kann insbesondere als keramisches Sensorelement ausgestaltet sein, beispielsweise mit einem oder mehreren keramischen Substraten, auf welche oder zwischen welche die genannten Elemente auf- und/oder eingebracht sein können. Insbesondere können ein, zwei oder mehr Temperaturfühler, jeweils in Kombination mit einem, zwei oder mehr Heizelementen realisiert werden, beispielsweise indem ein Heizelement mit zwei Temperaturfühlern kombiniert wird oder in ähnlicher Weise.In the proposed method, a sensor element is used which has at least one heating element and at least one temperature sensor. The heating element may in particular be at least one heating resistor, for example at least one heating meander. The at least one temperature sensor can be, for example, a temperature measuring resistor, for example a temperature measuring meander. The heating element and / or the temperature sensor can be produced in particular in a thick-film technique. The sensor element may in particular be designed as a ceramic sensor element, for example with one or more ceramic substrates, onto which or between which the mentioned elements can be introduced and / or introduced. In particular, one, two or more temperature sensors, each in combination with one, two or more heating elements can be realized, for example by combining a heating element with two temperature sensors or similarly.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird mindestens ein Tröpfchendetektionsschritt durchgeführt. Dieser Tröpfchendetektionsschritt kann einmalig oder mehrmalig durchgeführt werden und kann kurzfristig oder auch länger andauernd durchgeführt werden. Bei diesem Tröpfchendetektionsschritt wird auf ein Auftreffen von Flüssigkeit aus dem fluiden Medium auf das Sensorelement geschlossen, beispielsweise auf ein Auftreffen von Tröpfchen, insbesondere Wassertröpfchen. Dabei wird das Sensorelement mittels des Heizelements auf mindestens eine Tröpfchendetektionstemperatur beheizt. Beispielsweise kann diese Tröpfchendetektionstemperatur fest vorgegeben sein, oder das Heizelement kann mit einer oder mehreren vorgegebenen Heizleistungen beheizt werden. Insofern kann beispielsweise auf die oben bereits beschriebene DE 10 2008 040 593 A1 verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Die Tröpfchendetektionstemperatur kann beispielsweise von 150°C bis 250°C und vorzugsweise bei 200°C liegen. Während dieser Aufheizung des Sensorelements mittels des Heizelements wird die Temperatur des Sensorelements mittels des mindestens einen Temperaturfühlers erfasst. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine lokale Temperatur eines oder mehrerer Bereiche des Sensorelements handeln. Treffen flüssige Bestandteile aus dem fluiden (insbesondere gasförmigen) Medium, beispielsweise Tröpfchen aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere Wassertröpfchen, auf das Sensorelement auf, so wird hierdurch kurzfristig die Temperatur des Sensorelements verändert. Insbesondere kann die Beheizung des Sensorelements durch das Heizelement derart erfolgen, dass die Temperatur des Sensorelements oberhalb einer Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit liegt, beispielsweise oberhalb von 100°C. Durch die Verdampfungsenthalpie bzw. die zum Verdampfen der Flüssigkeit erforderliche Wärmemenge kühlt sich das Sensorelement zumindest lokal kurzfristig ab. Aus dem kurzfristigen Abfall der Temperatur, welche mittels des mindestens einen Temperaturfühlers erfasst wird, insbesondere einem Temperaturpeak (d. h. einem kurzfristigen positiven oder negativen Temperaturanstieg), wird auf ein Auftreffen der Flüssigkeit aus dem fluiden Medium auf das Sensorelement geschlossen. Beispielsweise kann eine Anzahl von Ereignissen erfasst werden, bei denen Flüssigkeit auf das Sensorelement auftrifft. Insbesondere kann eine Anzahl auftreffender Tröpfchen auf diese Weise erfasst werden.In the proposed method, at least one droplet detection step is performed. This droplet detection step can be carried out once or several times and can be carried out at short notice or even longer. In this droplet detection step, an impingement of liquid from the fluid medium on the sensor element is concluded, for example, an impingement of Droplets, especially water droplets. In this case, the sensor element is heated by means of the heating element to at least one droplet detection temperature. For example, this droplet detection temperature may be fixed, or the heating element may be heated with one or more predetermined heating powers. In this respect, for example, to those already described above DE 10 2008 040 593 A1 to get expelled. However, other embodiments are possible. The droplet detection temperature may be, for example, from 150 ° C to 250 ° C, and preferably at 200 ° C. During this heating of the sensor element by means of the heating element, the temperature of the sensor element is detected by means of the at least one temperature sensor. For example, this may be a local temperature of one or more regions of the sensor element. If liquid components from the fluid (in particular gaseous) medium, for example droplets from the exhaust gas of an internal combustion engine, in particular water droplets, strike the sensor element, the temperature of the sensor element is thereby changed at short notice. In particular, the heating of the sensor element by the heating element can take place in such a way that the temperature of the sensor element is above an evaporation temperature of the liquid, for example above 100 ° C. Due to the enthalpy of vaporization or the amount of heat required to evaporate the liquid, the sensor element cools down, at least locally, for a short time. From the short-term drop in temperature, which is detected by means of the at least one temperature sensor, in particular a temperature peak (ie, a short-term positive or negative temperature rise), it is concluded that the fluid from the fluid medium impinges on the sensor element. For example, a number of events may be detected in which liquid impinges on the sensor element. In particular, a number of impinging droplets can be detected in this way.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Tröpfchendetektionsschritt lediglich durchgeführt wird, wenn eine Temperatur des fluiden Mediums mindestens eine Temperaturbedingung erfüllt. Beispielsweise kann die Temperatur des fluiden Mediums mittels eines separaten Temperaturfühlers erfasst werden, wobei der Tröpfchendetektionsschritt lediglich durchgeführt wird, wenn die mindestens eine Temperaturbedingung erfüllt ist. Diese Temperaturbedingung kann beispielsweise durch einen oder mehrere Schwellwerte vorgegeben werden. So kann beispielsweise der Tröpfchendetektionsschritt lediglich durchgeführt werden, wenn die Temperatur des fluiden Mediums unterhalb einer Schwelltemperatur liegt oder wenn die Temperatur des fluiden Mediums maximal der Schwelltemperatur entspricht. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur des fluiden Mediums auch mit zwei Schwellwerten verglichen werden, wobei beispielsweise der Tröpfchendetektionsschritt lediglich durchgeführt wird, wenn die Temperatur des fluiden Mediums zwischen den beiden Schwellwerten liegt. Auch andere Ausgestaltungen einer Temperaturbedingung sind möglich und dem Fachmann geläufig.It is particularly preferred if the droplet detection step is carried out only if a temperature of the fluid medium fulfills at least one temperature condition. For example, the temperature of the fluid medium may be detected by means of a separate temperature sensor, wherein the droplet detection step is performed only when the at least one temperature condition is met. This temperature condition can be predetermined, for example, by one or more threshold values. Thus, for example, the droplet detection step can only be carried out if the temperature of the fluid medium is below a threshold temperature or if the temperature of the fluid medium corresponds at most to the threshold temperature. Alternatively or additionally, the temperature of the fluid medium can also be compared with two threshold values, wherein, for example, the droplet detection step is carried out only if the temperature of the fluid medium lies between the two threshold values. Other configurations of a temperature condition are possible and familiar to the expert.

Insbesondere kann das fluide Medium, wie oben ausgeführt, ein Abgas einer Brennkraftmaschine sein. In diesem Fall kann beispielsweise der Tröpfchendetektionsschritt lediglich in einer Anlaufphase der Brennkraftmaschine durchgeführt werden. In dieser Anlaufphase kann das Abgas eine geringe Temperatur aufweisen, beispielsweise eine Temperatur von unterhalb von 250°C, insbesondere unterhalb 200°C oder sogar 150°C. Auch andere Definitionen einer Anlaufphase sind möglich.In particular, as stated above, the fluid medium may be an exhaust gas of an internal combustion engine. In this case, for example, the droplet detecting step may be performed only in a startup phase of the internal combustion engine. In this start-up phase, the exhaust gas may have a low temperature, for example a temperature of below 250 ° C, in particular below 200 ° C or even 150 ° C. Other definitions of a start-up phase are possible.

Besonders bevorzugt ist es, wenn zusätzlich zu dem Tröpfchendetektionsschritt, welcher einfach oder mehrfach wiederholt durchgeführt werden kann, mindestens ein weiterer Verfahrensschritt durchgeführt wird. In diesem mindestens einen weiteren Verfahrensschritt, welcher vorzugsweise nicht gleichzeitig mit dem Tröpfchendetektionsschritt durchgeführt wird, kann beispielsweise mindestens eine weitere Eigenschaft des fluiden Mediums erfasst werden. So kann insbesondere mindestens ein Temperaturmessschritt durchgeführt werden. Auch dieser Temperaturmessschritt kann einmalig oder mehrfach wiederholt durchgeführt werden. Während des Temperaturmessschritts bleibt das Heizelement vorzugsweise unbeheizt oder wird in geringerem Maße beheizt als während des Tröpfchendetektionsschritts. Weiterhin wird während dem Temperaturmessschritt mittels des Temperaturfühlers eine Temperatur des fluiden Mediums erfasst.It is particularly preferred if, in addition to the droplet detection step, which can be carried out once or several times repeatedly, at least one further method step is carried out. In this at least one further method step, which is preferably not performed simultaneously with the droplet detection step, at least one further property of the fluid medium can be detected, for example. In particular, at least one temperature measuring step can be carried out. This temperature measuring step can also be repeated once or several times. During the temperature measuring step, the heating element preferably remains unheated or is heated to a lesser extent than during the droplet detecting step. Furthermore, a temperature of the fluid medium is detected during the temperature measuring step by means of the temperature sensor.

Beispielsweise können Bedingungen vorgegeben sein, wobei das Verfahren den Tröpfchendetektionsschritt durchführt, wenn eine erste Art von Bedingung erfüllt ist, wobei das Verfahren vorzugsweise den Temperaturmessschritt durchführt, wenn eine zweite Art von Bedingung erfüllt ist, wobei die Bedingungen vorzugsweise einander ausschließen. So kann beispielsweise der Tröpfchendetektionsschritt durchgeführt werden, wenn die Temperatur des fluiden Mediums (welche beispielsweise mittels eines separaten Sensors erfasst werden kann) mindestens einer ersten Temperaturbedingung genügt, wobei der Temperaturmessschritt durchgeführt wird, wenn die Temperatur des fluiden Mediums mindestens einer zweiten Temperaturbedingung genügt. Vorzugsweise werden diese Temperaturbedingungen derart gewählt, dass diese einander ausschließen, so dass der Tröpfchendetektionsschritt und der Temperaturmessschritt nicht gleichzeitig durchgeführt werden.For example, conditions may be predetermined, wherein the method performs the droplet detection step when a first type of condition is met, wherein the method preferably performs the temperature measuring step when a second type of condition is satisfied, wherein the conditions are preferably mutually exclusive. For example, the droplet detection step may be performed when the temperature of the fluid medium (which may be detected, for example, by a separate sensor) satisfies at least a first temperature condition, wherein the temperature measurement step is performed when the temperature of the fluid medium meets at least a second temperature condition. Preferably, these temperature conditions are chosen such that they exclude each other, so that the droplet detection step and the temperature measuring step are not performed simultaneously.

Das fluide Medium kann wiederum insbesondere ein Abgas einer Brennkraftmaschine sein, beispielsweise ein Abgas in einem Abgastrakt oder Abgasrohr der Brennkraftmaschine. Der Tröpfchendetektionsschritt kann beispielsweise in mindestens einer ersten Betriebsphase der Brennkraftmaschine durchgeführt werden, insbesondere in einer Anlaufphase, beispielsweise bei einer Abgastemperatur von weniger als 200°C. Der Temperaturmessschritt kann in mindestens einer zweiten Betriebsphase der Brennkraftmaschine durchgeführt werden, insbesondere in einer von der ersten Betriebsphase verschiedenen zweiten Betriebsphase. Beispielsweise kann dies eine Betriebsphase nach Beendigung der Anlaufphase sein, bei welcher das Abgas eine höhere Temperatur erreicht als während der Anlaufphase, beispielsweise eine Temperatur von mindestens 200°C. Unter verschiedenen Betriebsphasen sind dabei Betriebsphasen der Brennkraftmaschine zu verstehen, welche sich in mindestens einer Eigenschaft und/oder Zustandsvariablen unterscheiden. Beispielsweise kann es sich bei dieser Zustandsvariablen um einen Erwärmungszustand der Brennkraftmaschine und/oder des Abgases oder des Abgassystems handeln. In turn, the fluid medium may in particular be an exhaust gas of an internal combustion engine, for example an exhaust gas in an exhaust gas tract or exhaust pipe of the internal combustion engine. The droplet detection step may be performed, for example, in at least a first operating phase of the internal combustion engine, in particular in a start-up phase, for example at an exhaust gas temperature of less than 200 ° C. The temperature measuring step can be carried out in at least one second operating phase of the internal combustion engine, in particular in a second operating phase different from the first operating phase. For example, this may be an operating phase after completion of the start-up phase, in which the exhaust gas reaches a higher temperature than during the start-up phase, for example a temperature of at least 200 ° C. Operating phases of the internal combustion engine that differ in at least one property and / or state variables are to be understood as different operating phases. For example, this state variable may be a heating state of the internal combustion engine and / or the exhaust gas or the exhaust system.

Neben dem Verfahren in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen wird weiterhin eine Vorrichtung zur Erfassung einer Eigenschaft eines fluiden Mediums vorgeschlagen. Die Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, um ein Verfahren nach einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen durchzuführen, so dass für mögliche Ausgestaltungen der Vorrichtung auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Heizelement und mindestens einen Temperaturfühler. Weiterhin kann die Vorrichtung mindestens ein Substrat umfassen, beispielsweise mindestens ein keramisches Substrat, beispielsweise ein auf Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumdioxid basierendes Substrat. Auch andere Arten von Substraten bzw. Sensorelementen mit mindestens einem Heizelement und mindestens einem Temperaturfühler sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.Besides the method in one or more of the embodiments described above, there is further proposed an apparatus for detecting a property of a fluid medium. In particular, the device can be set up to carry out a method according to one or more of the embodiments described above, so that reference can be made to the above description for possible configurations of the device. The device comprises at least one heating element and at least one temperature sensor. Furthermore, the device may comprise at least one substrate, for example at least one ceramic substrate, for example a substrate based on aluminum oxide and / or zirconium dioxide. However, other types of substrates or sensor elements with at least one heating element and at least one temperature sensor are basically usable.

Die Vorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine Steuerung, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um mindestens einen Tröpfchendetektionsschritt durchzuführen. In dem Tröpfchendetektionsschritt wird das Sensorelement mittels des Heizelements beheizt, beispielsweise auf mindestens eine Tröpfchendetektionstemperatur. Wie oben dargestellt, kann dies beispielsweise mit konstanter Heizleistung erfolgen oder mit einer vorgegebenen Heizleistung. Auch andere Ausgestaltungen der Heizleistung sind möglich. Dabei ist die Steuerung eingerichtet, um während des Tröpfchendetektionsschritts die Temperatur des Sensorelements, d. h. des gesamten Sensorelements oder mindestens eines Teilbereichs des Sensorelements, mittels des Temperaturfühlers zu erfassen. Die Steuerung ist weiterhin eingerichtet, um aus einem kurzfristigen Abfall der Temperatur, d. h. grundsätzlich aus einer beliebigen Veränderung der Temperatur, insbesondere einem kurzfristigen negativen Peak der Temperatur, auf ein Auftreffen von Flüssigkeit aus dem fluiden Medium, insbesondere auf ein Auftreffen von Tröpfchen, insbesondere Wassertröpfchen, auf das Sensorelement zu schließen.The apparatus further comprises at least one controller, wherein the controller is configured to perform at least one droplet detection step. In the droplet detection step, the sensor element is heated by means of the heating element, for example to at least one droplet detection temperature. As shown above, this can be done, for example, with constant heating power or with a given heating power. Other embodiments of the heating power are possible. In this case, the controller is arranged to detect the temperature of the sensor element during the droplet detection step, i. H. the entire sensor element or at least a portion of the sensor element to detect by means of the temperature sensor. The controller is further configured to determine from a short term drop in temperature, i. H. basically from any change in temperature, in particular a short-term negative peak of the temperature, to an impact of liquid from the fluid medium, in particular to an impact of droplets, in particular water droplets, close to the sensor element.

Wie oben dargestellt, kann das Heizelement insbesondere mindestens einen Heizmäander umfassen. Der Temperaturfühler kann insbesondere mindestens einen Temperaturmessmäander umfassen. Insbesondere kann der Temperaturfühler mindestens einen Temperaturmesswiderstand umfassen, beispielsweise einen Temperaturmesswiderstand mit einem Nennwiderstand bei 0°C von 100 Ohm (Pt100) bis 200 Ohm (Pt200).As illustrated above, the heating element may in particular comprise at least one heating meander. The temperature sensor may in particular comprise at least one temperature measuring meander. In particular, the temperature sensor may comprise at least one temperature measuring resistor, for example a temperature measuring resistor with a nominal resistance at 0 ° C of 100 ohms (Pt100) to 200 ohms (Pt200).

Das Heizelement und der Temperaturfühler können insbesondere in unterschiedlichen Schichtebenen eines Schichtaufbaus eines Sensorelements angeordnet sein, beispielsweise eines keramischen Sensorelements. Beispielsweise kann der mindestens eine Temperaturfühler auf einer Oberfläche eines Schichtaufbaus angeordnet sein und/oder durch eine oder mehrere Schichten von dem fluiden Medium getrennt sein. Vorzugsweise ist das Heizelement eingebettet zwischen mindestens zwei Schichten des Sensorelements, beispielsweise zwischen mindestens zwei Substratschichten des Sensorelements, beispielsweise keramische Substratschichten. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Die Vorrichtung kann beispielsweise einen Schichtaufbau umfassen, beispielsweise indem die Vorrichtung ein Sensorelement mit einem derartigen Schichtaufbau umfasst, wobei auf einander gegenüberliegenden Seiten des Schichtaufbaus Temperaturfühler angeordnet sind. Diese können auf den Oberflächen des Schichtaufbaus angeordnet sein oder durch eine oder mehrere Schichten von den Oberflächen getrennt sein. Innerhalb des Schichtaufbaus kann zwischen den Temperaturfühlern das mindestens eine Heizelement angeordnet sein.The heating element and the temperature sensor may in particular be arranged in different layer planes of a layer structure of a sensor element, for example a ceramic sensor element. For example, the at least one temperature sensor may be disposed on a surface of a layer structure and / or separated from the fluid medium by one or more layers. The heating element is preferably embedded between at least two layers of the sensor element, for example between at least two substrate layers of the sensor element, for example ceramic substrate layers. However, other embodiments are possible in principle. The device may comprise, for example, a layer structure, for example in that the device comprises a sensor element with such a layer structure, wherein temperature sensors are arranged on opposite sides of the layer structure. These may be arranged on the surfaces of the layer structure or separated from the surfaces by one or more layers. Within the layer structure, the at least one heating element can be arranged between the temperature sensors.

Die Steuerung kann vollständig oder teilweise in dem Sensorelement integriert sein oder auch vollständig oder teilweise in anderen Komponenten der Vorrichtung aufgenommen sein, beispielsweise in Steckerkomponenten und/oder einer separaten Steuervorrichtung, welche beispielsweise mit einem Sensorelement der Vorrichtung zusammenwirkt. Die Vorrichtung kann vollständig oder teilweise durch elektronische Komponenten realisiert sein, beispielsweise durch entsprechende elektronische Bausteine, z. B. logische Bausteine, Regelbausteine, Spannungsversorgungen, Stromversorgungen, Messelemente oder ähnliches. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung jedoch auch eine oder mehrere Datenverarbeitungsvorrichtungen umfassen, so dass die Steuerung auch ganz oder teilweise durch Softwarebausteine realisiert werden kann, beispielsweise eine Software, welche, in Alleinstellung oder gegebenenfalls in Kombination mit Hardwarebausteinen, die Abfolge der oben beschriebenen Verfahrensschritte steuert, beispielsweise den Tröpfchendetektionsschritt und optional den Temperaturmessschritt. Auf diese Weise kann die Steuerung beispielsweise eingerichtet sein, um eine Messmodusumschaltung zwischen den mindestens zwei Verfahrensschritten einzuleiten, beispielsweise bei Erreichen einer Schwelltemperatur des Abgases, beispielsweise beim Übergang zwischen einer Anlaufphase und einer anderen Betriebsphase der Brennkraftmaschine.The controller can be completely or partially integrated in the sensor element or can also be completely or partially accommodated in other components of the device, for example in plug components and / or a separate control device which cooperates, for example, with a sensor element of the device. The device can be completely or partially implemented by electronic components, for example by corresponding electronic components, for. As logic blocks, control blocks, power supplies, power supplies, sensing elements or the like. Alternatively or additionally However, the device also comprise one or more data processing devices, so that the control can also be implemented in whole or in part by software components, for example software which, alone or optionally in combination with hardware components, controls the sequence of the method steps described above, for example the droplet detection step and optionally the temperature measuring step. In this way, the controller can be set up, for example, to initiate a measuring mode changeover between the at least two method steps, for example when a threshold temperature of the exhaust gas is reached, for example during the transition between a startup phase and another operating phase of the internal combustion engine.

Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung weisen gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf. Das Sensorelement der Vorrichtung, welches das mindestens eine Heizelement und den mindestens einen Temperaturfühler umfasst, kann vorzugsweise thermosymmetrisch ausgestaltet sein, so dass beispielsweise zwei oder mehrere Temperaturfühler symmetrisch hinsichtlich der Ausbreitung von Wärme zu dem mindestens einen Heizelement angeordnet sind. Die Signale der Temperaturfühler, beispielsweise der Temperaturmessmäander des Sensorelements, können zeitlich hintereinander im kalten Abgas zuerst für eine Liquidmessung (Tröpfchendetektion) in der Anlaufphase direkt nach dem Motorstart genutzt und anschließend ab ca. 200°C Abgastemperatur für eine Abgastemperaturmessung eingesetzt werden. Die Temperaturfühler können vorzugsweise planar ausgestaltet sein. Das Sensorelement kann vorzugsweise als keramisches Sensorelement ausgestaltet sein. Insbesondere kann es sich um ein quaderförmiges Sensorelement handeln. Beispielsweise kann ein Sensorelement mit einem oder mehreren Substraten aus Al₂O₃, ZrO₂, oder anderen keramischen Materialien eingesetzt werden.The proposed method and apparatus have numerous advantages over known methods and apparatus. The sensor element of the device, which comprises the at least one heating element and the at least one temperature sensor, can preferably be designed thermosymmetrical, so that, for example, two or more temperature sensors are arranged symmetrically with respect to the propagation of heat to the at least one heating element. The signals of the temperature sensor, for example, the temperature Meßmäander the sensor element can be used in succession in the cold exhaust gas first for a liquid measurement (droplet detection) in the start-up phase directly after the engine start and then used from about 200 ° C exhaust gas temperature for exhaust gas temperature measurement. The temperature sensors may preferably be designed planar. The sensor element can preferably be designed as a ceramic sensor element. In particular, it may be a cuboid sensor element. For example, a sensor element with one or more substrates of Al ₂ O ₃ , ZrO ₂ , or other ceramic materials may be used.

Bei der Liquidmessung in der Tröpfchendetektionsphase kann beispielsweise sowohl ein Heizelement betrieben als auch das mindestens eine Signal eines, zweier oder mehrerer Temperaturfühler, beispielsweise Pt100-Temperaturmäander, erfasst werden. Das Heizelement, beispielsweise der Heizmäander, kann beispielsweise mit Hilfe der Temperaturfühler, beispielsweise der Temperaturmessmäander, geregelt betrieben werden. Bei Auftreffen eines Tröpfchens auf das Sensorelement, beispielsweise eine Sensorelementoberfläche im Bereich des gegen den Abgasstrom ausgerichteten Temperaturfühlers, beispielsweise des Pt100-Temperaturmessmäanders, bewirkt die Verdampfungsenthalpie des Wassertröpfchens eine lokale Abkühlung des Sensorelements, welches sich im Temperaturmesssignal als charakteristischer Peak wiederfinden kann.In the case of liquid measurement in the droplet detection phase, it is possible, for example, both to operate a heating element and to detect at least one signal from one, two or more temperature sensors, for example Pt100 temperature meanders. The heating element, for example the heating meander, can be operated in a regulated manner, for example with the aid of the temperature sensors, for example the temperature measuring meander. When a droplet strikes the sensor element, for example a sensor element surface in the region of the temperature sensor aligned against the exhaust gas flow, for example the Pt100 temperature meander, the enthalpy of vaporization of the water droplet causes a local cooling of the sensor element, which can be found in the temperature measurement signal as a characteristic peak.

Ab beispielsweise ca. 200°C, also vorzugsweise wenn sicher keine Tröpfchen mehr im Abgas zu erwarten sind, kann der Messmodus umgeschaltet werden. Das Heizelement kann dann beispielsweise ausgeschaltet werden. Jetzt können die Signale von einem, zweien oder mehreren Temperaturfühlern, beispielsweise Temperaturmessmäandern, zur Messung der Abgastemperatur verwendet werden.For example, from about 200 ° C, so preferably when no more droplets are expected to be safe in the exhaust, the measurement mode can be switched. The heating element can then be switched off, for example. Now the signals from one, two or more temperature sensors, such as temperature measurement meanders, can be used to measure exhaust gas temperature.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung besteht darin, dass die Sensorsignale in der Regel mit hoher Sicherheit nicht kollidieren können und damit Wechselwirkungen zwischen den Signalen der unterschiedlichen Verfahrensschritte oder Messphasen ausgeschlossen werden können. Zudem kann der Sensor die gesamte Fahrtdauer wieder verwendet werden, nicht lediglich bei einem Motorstart. Eine besondere Bedeutung für den Fahrzeughersteller hat die Verwendung der Tröpfchen- und Temperaturinformationen, die innerhalb von Fahrzeugerprobungen und Flottenerprobungen gesammelt werden können.A particular advantage of the method and the device is that the sensor signals usually can not collide with high reliability and thus interactions between the signals of the different process steps or measurement phases can be excluded. In addition, the sensor can be used again for the entire journey, not just when the engine starts. Of particular importance to the vehicle manufacturer is the use of droplet and temperature information that can be collected within vehicle testing and fleet testing.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass diese mindestens ein Sensorelement umfasst, das mindestens zwei Temperaturfühler aufweist. Diese Temperaturfühler sind insbesondere bezüglich eines Heizelements oder bezüglich mehrerer Heizelemente thermosymmetrisch angeordnet, das heißt derart angeordnet, dass sie durch die Heizelemente, vorbehaltlich thermisch asymmetrischer äußerer Einwirkung, in gleicher Weise aufgeheizt werden.A particularly preferred embodiment of the device according to the invention provides that it comprises at least one sensor element having at least two temperature sensors. These temperature sensors are arranged in particular with respect to a heating element or with respect to a plurality of heating elements thermosymmetric, that is arranged such that they are heated by the heating elements, subject to thermally asymmetric external action in the same way.

Eine derartige geometrisch symmetrische und/oder thermosymmetrische Anordnung von Heizelement(en) und Temperaturfühlern kann zum Beispiel durch einen keramischen Schichtaufbau realisiert sein, in dessen mittlerer Schichtebene ein insbesondere mäanderförmiger Heizleiter oder ein insbesondere aus einer Schlaufe gebildeter Heizleiter angeordnet ist und in dessen gegenüberliegenden äußeren Schichtebenen jeweils Temperaturmesswiderstände, die vorzugsweise als Temperaturmessmäander ausgebildet sind, angeordnet sind. Auch Sensorelemente mit mehr als zwei Temperaturfühlern sind prinzipiell möglich.Such a geometrically symmetrical and / or thermosymmetric arrangement of heating element (s) and temperature sensors can be realized, for example, by a ceramic layer structure, in the middle layer plane of which a meandering heating conductor or a heating conductor formed in particular from a loop is arranged and in its opposite outer layer planes each temperature measuring resistors, which are preferably designed as a temperature Meßmäander arranged. Also sensor elements with more than two temperature sensors are possible in principle.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens machen von derartigen Vorrichtungen mit Sensorelementen, die mindestens zwei Temperaturfühler aufweisen, Gebrauch und ermöglichen eine noch genauere und/oder eine noch schnellere Erfassung der Eigenschaft des fluiden Mediums.Further developments of the method according to the invention make use of such devices with sensor elements which have at least two temperature sensors, and make possible even more accurate and / or even faster detection of the property of the fluid medium.

Hierbei ist es wiederum möglich und vorzugsweise vorgesehen, die Temperatur des Sensorelements auf einen konstanten Wert zu regeln. Zur diesbezüglich erforderlichen Messung der Temperatur des Sensorelements können die Signale von allen, von mehreren oder nur von einem der mindestens zwei Temperaturfühler ausgewertet werden. Es kann insbesondere ein Mittelwert der durch mehrere oder durch alle der mindestens zwei Temperaturfühler ermittelten Signale bzw. Temperaturen gebildet und zur Regelung herangezogen werden. Auch die Berechnung von gewichteten Mittelwerten oder andere Verrechnungen der Signale sind prinzipiell möglich und können gegebenenfalls auch in Abhängigkeit von äußeren Gegebenheiten, zum Beispiel der aktuellen Abgastemperatur, situationsspezifisch angepasst werden.Here again, it is possible and preferably provided to regulate the temperature of the sensor element to a constant value. For the required measurement of the temperature of the sensor element, the signals of all, be evaluated by several or only one of the at least two temperature sensors. In particular, an average value of the signals or temperatures determined by a plurality or by all of the at least two temperature sensors can be formed and used for the regulation. The calculation of weighted average values or other offsetting of the signals are also possible in principle and, if appropriate, can also be adapted to the situation depending on external conditions, for example the current exhaust-gas temperature.

Ist die Eigenschaft des fluiden Mediums eine Temperatur, so eröffnet die Verwendung einer Sensorelements, die mindestens zwei Temperaturfühler aufweist, die Möglichkeit, auch Temperaturgradienten, insbesondere Temperaturgradienten innerhalb des Sensorelements, festzustellen. In diesem Fall ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Steuerung umfasst, die eingerichtet ist, um aus den durch die mindestens zwei Temperaturfühler ermittelten Signale ein Signal zu erzeugen, dass einer Temperaturdifferenz und/oder einem Temperaturgradienten, insbesondere einer Temperaturdifferenz und/oder einem Temperaturgradienten innerhalb des Sensorelements, entspricht.If the property of the fluid medium is a temperature, the use of a sensor element which has at least two temperature sensors opens up the possibility of also determining temperature gradients, in particular temperature gradients within the sensor element. In this case, it is provided that the device comprises a controller which is set up to generate from the signals determined by the at least two temperature sensors a signal that a temperature difference and / or a temperature gradient, in particular a temperature difference and / or a temperature gradient within of the sensor element corresponds.

Ist die Eigenschaft des fluiden Mediums ein Gehalt an Flüssigkeit, insbesondere ein Gehalt an Flüssigkeit in Tropfenform, so eröffnet die Verwendung eines Sensorelements, das mindestens zwei Temperaturfühler aufweist, die Möglichkeit, festzustellen, an welchem Ort die Flüssigkeit auf das Sensorelement trifft. Hierfür ist wiederum die parallele Auswertung der mindestens zwei Temperaturfühler vorgesehen, wobei auf dem Sensorelement auftreffende Flüssigkeit, insbesondere Tropfen, direkt durch einen Temperaturabfall an dem jeweiligen Ort des Temperaturfühlers, durch Auswertung des Signals des betreffenden Temperaturfühlers detektiert werden kann.If the property of the fluid medium is a content of liquid, in particular a content of liquid in droplet form, then the use of a sensor element which has at least two temperature sensors opens up the possibility of determining at which location the liquid strikes the sensor element. For this purpose, in turn, the parallel evaluation of the at least two temperature sensor is provided, which incident on the sensor element liquid, in particular drops, directly by a temperature drop at the respective location of the temperature sensor, can be detected by evaluating the signal of the relevant temperature sensor.

In Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Größe mindestens eines auf dem Sensorelement auftreffenden Tropfens bestimmt wird. Dies erfolgt zum Beispiel durch Auswertung der Abkühlung, der Dauer der Abkühlung (Verdampfungsdauer) und/oder durch Integration eines Temperatursignals oder mehrer Temperatursignale. Auch die Auswertung des Heizleistungssignals bei einer auf einen konstanten Wert geregelter Temperatur ist zur Bestimmung einer Tropfengröße möglich. Auch die Bestimmung der Größe mehrerer, eines Anteils oder aller in einem Zeitraum auf dem Sensorelement auftreffenden Tropfen ist möglich.In a development of the method, it is provided that the size of at least one drop striking the sensor element is determined. This is done, for example, by evaluating the cooling, the duration of the cooling (evaporation time) and / or by integrating a temperature signal or several temperature signals. The evaluation of the heating power signal at a controlled temperature to a constant value is possible to determine a droplet size. It is also possible to determine the size of a plurality of, a portion or all of the drops incident on the sensor element in a period of time.

Durch die Auswertung mehrer oder aller der durch die mindestens zwei Temperaturfühler ermittelten Signale, insbesondere durch einen Relativvergleich der Temperatursignale der mindestens zwei Temperaturfühler, wird es vorteilhafterweise möglich, Tropfen auch dann zuverlässig zu detektieren, wenn die Temperatur des Sensorelements durch das umgebende Gas bzw. die umgebende Gasströmung beeinflusst wird. So kann beispielsweise das Auftreffen eines Tropfens von einem Stoß eines insbesondere kühlen Gases unterschieden werden, da diese Ereignisse jeweils in charakteristischer Art und Weise durch nur einen bzw. durch mehrere oder durch alle der Temperaturfühler detektiert wird. Auch die Erkennung bzw. Unterscheidung anderer Ereignisse wird prinzipiell auf diese Art und Weise möglich.By evaluating a plurality or all of the signals determined by the at least two temperature sensors, in particular by a relative comparison of the temperature signals of the at least two temperature sensors, it is advantageously possible to reliably detect drops even when the temperature of the sensor element is affected by the surrounding gas or gas surrounding gas flow is influenced. Thus, for example, the impact of a droplet can be distinguished from a collision of a particularly cool gas, since these events are each detected in a characteristic manner by only one or more or all of the temperature sensors. The recognition or differentiation of other events is possible in principle in this way.

Liegen die mindestens zwei Temperaturfühler, insbesondere Temperaturmessmäander, jeweils an Außenseiten des Sensorelements, insbesondere an gegenüberliegenden Außenseiten des Sensorelements, so kann die Seite des Sensorelements, die von Flüssigkeitstropfen getroffen wird, besonders sicher bestimmt werden. In diesem Fall unterscheidet sich nämlich die Abkühlung des Sensorelements an den Orten der Temperaturmessfühler, insbesondere Temperaturmessmäander, besonders stark, beziehungsweise eine Differenz der Temperaturen tritt besonders abrupt auf, beispielsweise gekennzeichnet durch steile Signalflanken und/oder durch hohe Signal-zu-Rausch-Verhältnisse. Hierdurch ist eine sichere automatisierte Auswertung der Signale, insbesondere hinsichtlich der Auszählung von auf dem Sensorelement auftreffenden Tropfen, ermöglicht.If the at least two temperature sensors, in particular temperature measuring meanders, respectively lie on outer sides of the sensor element, in particular on opposite outer sides of the sensor element, the side of the sensor element which is struck by liquid drops can be determined particularly reliably. In this case, namely, the cooling of the sensor element at the locations of the temperature sensor, in particular Temperaturmessmäander, particularly strong, or a difference in the temperatures occurs particularly abrupt, for example, characterized by steep signal edges and / or by high signal-to-noise ratios. In this way, a reliable automated evaluation of the signals, in particular with regard to the counting of drops impinging on the sensor element, is made possible.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Sensorelements, das mindestens zwei Temperaturfühler aufweist, ist darin zu sehen, das eine Tropfendetektion selbst dann noch sicher möglich ist, wenn eine Beheizung des Sensorelements durch das Heizelement nicht oder nicht mehr erfolgt, zum Beispiel weil das Sensorelement durch das Abgas bereits ausreichend erwärmt ist. In diesem Fall ist dennoch ein Temperaturabfall an dem jeweiligen Temperaturfühler festzustellen, der insbesondere mittels Relativvergleich der Signale der mindestens zwei Temperaturfühler erkennbar ist.A further advantage of using a sensor element having at least two temperature sensors can be seen in the fact that droplet detection is still possible even if heating of the sensor element by the heating element does not take place or no longer occurs, for example because the sensor element passes through the sensor element Exhaust gas is already sufficiently heated. In this case, however, a temperature drop at the respective temperature sensor is detected, which can be seen in particular by means of relative comparison of the signals of the at least two temperature sensors.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann aus den ermittelten Temperaturgradienten im Sensorelement auf thermomechanische Spannungen im Sensorelement geschlossen werden und somit beispielsweise das aktuelle Risiko einer Beschädigung des Sensorelements, beispielsweise durch Thermoschock oder Bruch, bewertet werden. Zum Zweck dieser Bewertung wird vorzugsweise von innerhalb oder außerhalb der Vorrichtung abgelegten Daten Gebrauch gemacht.In a further development of the method according to the invention, thermomechanical stresses in the sensor element can be deduced from the determined temperature gradients in the sensor element and thus, for example, the current risk of damage to the sensor element, for example due to thermal shock or breakage, evaluated. For the purpose of this evaluation, use is preferably made of data stored inside or outside the device.

Es ist jeweils vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Steuerung zur Ausführung und Auswertung der beschriebenen Verfahren umfasst oder mit einer solchen Steuerung verbunden oder verbindbar ist.It is provided in each case that the device comprises a controller for the execution and evaluation of the described method or connected to such a controller or is connectable.

Die im Rahmen der Erfindung verwendeten Vorrichtungen können einerseits spezielle Sensoren zur Ermittlung der genannten Eigenschaften des Fluids darstellen, andererseits ist es aber auch möglich, dass diese Vorrichtungen zugleich Vorrichtungen realisieren, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind, etwa Vorrichtungen zur Bestimmung der Konzentration einer oder mehrer Gassorten, wie beispielsweise eine Lambda-Sonde oder ein NO_x-Sensor. In letzterem Fall ist der an sich bekannte Aufbau der von diesen Sensoren umfassten Sensorelemente entsprechend ergänzt, insbesondere um einen oder mehrere, beispielsweise zwei, Temperaturfühler, insbesondere Temperaturmessmäander. On the one hand, the devices used in the invention may be special sensors for determining the stated properties of the fluid, but on the other hand it is also possible for these devices to realize devices which are known per se from the prior art, for example devices for determining the Concentration of one or more types of gas, such as a lambda probe or a NO _x sensor. In the latter case, the per se known structure of the sensor elements encompassed by these sensors is correspondingly supplemented, in particular by one or more, for example two, temperature sensors, in particular temperature measuring meanders.

Es ist möglich, das Sensorelement aus einem oder mehreren keramischen Materialien herzustellen. Die Verwendung anderer Materialien, beispielsweise Kunststoffe und/oder Gläser, ist jedoch prinzipiell auch möglich, vorausgesetzt, diese Materialien weisen eine ausreichende Hitzebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf und es ist Sichergestellt, dass die Heizeinrichtungen und Temperaturfühler elektrisch isoliert voneinander in dem Sensorelement angeordnet werden können.It is possible to manufacture the sensor element from one or more ceramic materials. However, the use of other materials, for example plastics and / or glasses, is also possible in principle, provided that these materials have sufficient heat resistance and thermal conductivity and it is ensured that the heating devices and temperature sensors can be arranged electrically isolated from one another in the sensor element.

Eine besondere Ausgestaltung des Sensorelements sieht die Anordnung von mehr als zwei, insbesondere von vier oder von mehr als vier Temperaturfühlern, insbesondere Temperaturmessmäandern, vor. In diesen Fällen lässt sich die Eigenschaft des fluiden Mediums mit einer besonders hohe Ortsauflösung bestimmen.A particular embodiment of the sensor element provides for the arrangement of more than two, in particular of four or more than four temperature sensors, in particular Temperaturmessmäandern ago. In these cases, the property of the fluid medium can be determined with a particularly high spatial resolution.

Die Erfindung sieht insbesondere vor: Ein Verfahren zur Erfassung von Tropfen in einem Abgas, wobei ein Sensorelement mit mindestens einem Heizelement und mindestens zwei Temperaturfühlern verwendet wird, wobei das Sensorelement mittels des Heizelements beheizt wird, wobei die Temperatur des Sensorelements mittels beider Temperaturfühlers erfasst wird, wobei aus einem kurzfristigen Abfall der mittels mindestens einem Temperaturfühler ermittelten Temperatur, insbesondere einem Temperaturpeak, auf ein Auftreffen von Tröpfchen, auf das Sensorelement und gegebenenfalls auf den Ort, an dem die Tropfen auf das Sensorelement treffen, geschlossen wird.The invention provides in particular: A method for detecting drops in an exhaust gas, wherein a sensor element is used with at least one heating element and at least two temperature sensors, wherein the sensor element is heated by the heating element, wherein the temperature of the sensor element is detected by means of both temperature sensor, wherein from a short-term drop in the temperature determined by means of at least one temperature sensor, in particular a temperature peak, to an impact of droplets on the sensor element and optionally to the place where the drops hit the sensor element is closed.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the figures and are explained in more detail in the following description.

Es zeigen:Show it:

1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und 1 an embodiment of a device according to the invention; and

2 einen schematischen Verfahrensablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 2 a schematic process flow of a method according to the invention.

Ausführungsbeispieleembodiments

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums dargestellt. In diesem Fall handelt es sich um eine Vorrichtung 110, welche zur Erfassung einer Temperatur und zur Durchführung einer Liquidmessung, also einer Tröpfchendetektion, beispielsweise zur Erfassung eines Wassereintrags in ein Abgas einer Brennkraftmaschine, eingerichtet ist, also zur Erfassung mindestens zweier Eigenschaften des fluiden Mediums.In 1 is an embodiment of a device according to the invention 110 shown for detecting at least one property of a fluid medium. In this case, it is a device 110 , which is for detecting a temperature and for carrying out a liquid measurement, that is, a droplet detection, for example, for detecting a water entry into an exhaust gas of an internal combustion engine is set up, so for detecting at least two properties of the fluid medium.

Die Vorrichtung 110 umfasst ein Sensorelement 112 sowie eine mit dem Sensorelement 112 verbundene Steuerung 114. Das Sensorelement 112 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen keramischen Schichtaufbau auf, welcher beispielsweise quaderförmig ist und welcher vorzugsweise thermosymmetrisch aufgebaut ist. Bei diesem Schichtaufbau ist ein Heizelement 116 in Form eines als Heizmäander 118 ausgestalteten Heizwiderstands eingebettet zwischen zwei Substrate 120, beispielsweise auf der Basis von Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Zirkoniumdioxid (ZrO₂). Das Heizelement 116 kann beispielsweise einen Widerstand von 3 bis 4 Ohm aufweisen.The device 110 includes a sensor element 112 and one with the sensor element 112 connected control 114 , The sensor element 112 has in the illustrated embodiment on a ceramic layer structure, which is for example cuboid and which is preferably constructed thermosymmetric. In this layer construction is a heating element 116 in the form of a heating meander 118 designed heating resistor embedded between two substrates 120 For example, based on alumina (Al ₂ O ₃ ) and / or zirconia (ZrO ₂ ). The heating element 116 may for example have a resistance of 3 to 4 ohms.

Auf einander gegenüberliegenden Oberflächen des Schichtaufbaus sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei Temperaturfühler 122 angeordnet, welche als Temperaturmesswiderstände 124 in Form von Temperaturmessmäandern 126 ausgestaltet sind. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Optional zusätzlich vorhandene obere und/oder untere Schutzdeckschichten sind in dieser Darstellung nicht gezeigt. Die Temperaturfühler 122 sind mit einer Temperaturmessvorrichtung 128 der Steuerung 114 verbunden, welche beispielsweise eingerichtet ist, um die Widerstände der Temperaturfühler 122 zu erfassen. Das Heizelement 116 ist mit einer Heizvorrichtung 130 der Steuerung 114 verbunden, beispielsweise einer Heizvorrichtung 130, welche eingerichtet ist, um den Heizmäander 118 mit einer Heizleistung zu beaufschlagen. Beispielsweise kann diese Heizleistung durch Temperatursignale der Temperaturmessvorrichtung 128 gesteuert werden. Die Steuerung 114 kann somit optional eine oder mehrere Regelungen umfassen. Weiterhin kann die Steuerung 114 eine oder mehrere Steuerungselemente 132 umfassen, beispielsweise um zwischen den verschiedenen Phasen eines Verfahrens gemäß der Erfindung umschalten zu können.On opposite surfaces of the layer structure are in this embodiment, two temperature sensors 122 arranged, which as temperature measuring resistors 124 in the form of temperature meanders 126 are designed. However, other embodiments are possible in principle. Optionally additionally existing upper and / or lower protective cover layers are not shown in this illustration. The temperature sensors 122 are with a temperature measuring device 128 the controller 114 connected, for example, is set to the resistors of the temperature sensor 122 capture. The heating element 116 is with a heater 130 the controller 114 connected, for example, a heater 130 which is set up to the heating meander 118 to apply a heating power. For example, this heating power by temperature signals of the temperature measuring device 128 to be controlled. The control 114 can thus optionally include one or more regulations. Furthermore, the controller 114 one or more controls 132 For example, to be able to switch between the different phases of a method according to the invention.

In 2 ist schematisch ein Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, welches beispielsweise unter Verwendung der Vorrichtung 110 gemäß 1 durchgeführt werden kann. Das Verfahren wird exemplarisch am Beispiel einer Messung an einem Abgas einer Brennkraftmaschine dargestellt.In 2 schematically a flowchart of a method according to the invention is shown, which, for example, using the device 110 according to 1 can be carried out. The method is exemplified by the example of a measurement on an exhaust gas of an internal combustion engine.

In Verfahrensschritt 210 wird die Brennkraftmaschine gestartet. Damit beginnt ein Tröpfchendetektionsschritt 212. Während dieses Tröpfchendetektionsschritts wird eine Liquidmessung durchgeführt, zur Erfassung eines Auftreffens von Wassertröpfchen auf das Sensorelement 112. Dabei wird sowohl der Heizmäander 118 betrieben als auch das Signal des mindestens einen Temperaturfühlers 122 erfasst. Beispielsweise kann das Heizelement 116 mit Hilfe der Temperaturfühler 122 geregelt betrieben werden. Beim Auftreffen eines Tröpfchens auf eine oder mehrere Oberflächen des Sensorelements 112 wird, wie oben beschrieben, eine lokale Abkühlung des Sensorelements 112 bewirkt, welches sich im von der Temperaturmessvorrichtung 128 erfassten Signal als charakteristischer Peak widerspiegeln kann. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Anzahl auftreffender Tröpfchen N erfasst werden, eine Rate eines Tröpfchenaufpralls oder ähnliche Messgrößen, welche einen Flüssigkeitseintrag in das Abgas, beispielsweise einen Wassereintrag, quantifizieren können. Diese Messgrößen sind insgesamt in 2 mit N bezeichnet. Diese können beispielsweise ausgegeben werden oder an eine zentrale Motorsteuerung weitergegeben werden.In process step 210 the internal combustion engine is started. This starts a droplet detection step 212 , During this droplet detection step, a liquid measurement is performed to detect an impact of water droplets on the sensor element 112 , It is both the Heizmäander 118 operated as well as the signal of at least one temperature sensor 122 detected. For example, the heating element 116 with the help of temperature sensors 122 be operated regulated. Upon impact of a droplet on one or more surfaces of the sensor element 112 becomes, as described above, a local cooling of the sensor element 112 causes, which in the of the temperature measuring device 128 reflected signal as a characteristic peak. In this way, for example, a number of impinging droplets N can be detected, a rate of droplet impact or similar measurands, which can quantify a liquid entry into the exhaust gas, for example a water entry. These measures are total in 2 denoted by N. These can be output, for example, or passed on to a central engine control.

Bevorzugt erfolgt eine getrennte Auswertung der durch die Temperaturfühler 122 bereitgestellten Signale und/oder eine Auswertung der Differenz der durch die Temperaturfühler 122 bereitgestellten Signale. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, den Ort, an dem Tropfen auf das Sensorelement treffen, auszuwerten. Überdies verbessern sich die Genauigkeit und die Sicherheit, mit der Tropfen festgestellt und hinsichtlich ihrer Größe bewertet werden können.Preferably, a separate evaluation is carried out by the temperature sensor 122 provided signals and / or an evaluation of the difference of the temperature sensor 122 provided signals. In this way, it is possible, in particular, to evaluate the location at which drops strike the sensor element. Moreover, the accuracy and safety with which drops can be detected and evaluated in size can be improved.

Der Tröpfchendetektionsschritt 212 kann beispielsweise so lange durchgeführt werden, wie eine bestimmte Bedingung erfüllt ist. Diese Bedingung ist in 2 symbolisch mit 214 bezeichnet. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Temperaturbedingung des Abgases der Brennkraftmaschine handeln. Die Temperatur des Abgases kann beispielsweise mittels eines separaten Temperaturfühlers erfasst werden, welcher in 1 nicht dargestellt ist, oder es können einer oder mehrere der Temperaturfühler 122 gleichzeitig oder zeitversetzt auch für die Temperaturmessung des Abgases zur Bestimmung des Vorliegens der Bedingung 214 eingesetzt werden. Die Bedingung 214 ist in 2 symbolisch durch eine Abfrage dargestellt, hier exemplarisch eine Abfrage, ob die Temperatur T des Abgases größer oder gleich einer Schwelltemperatur T_S ist.The droplet detection step 212 For example, it may be performed as long as a particular condition is met. This condition is in 2 symbolically with 214 designated. For example, this may be a temperature condition of the exhaust gas of the internal combustion engine. The temperature of the exhaust gas can be detected for example by means of a separate temperature sensor, which in 1 not shown, or it may be one or more of the temperature sensor 122 simultaneously or with a time delay also for the temperature measurement of the exhaust gas to determine the presence of the condition 214 be used. The condition 214 is in 2 represented symbolically by a query, here an example of a query whether the temperature T of the exhaust gas is greater than or equal to a threshold temperature T _S.

Ist die Temperaturschwelle T_S erreicht bzw. ist die Bedingung 214 nicht mehr erfüllt, so ist die Vorrichtung 110 eingerichtet, beispielsweise mittels der Steuerung 114, insbesondere mittels des Steuerungselements 132, insbesondere mittels einer Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder einer Entscheidungslogik, um aus dem ersten Messmodus mit dem Tröpfchendetektionsschritt 212 in einen Temperaturmessschritt 216 umzuschalten. Während die Tröpfchendetektion 212 beispielsweise für eine Liquidmessung direkt nach dem Motorstart in einer Anlaufphase eines Motors eingesetzt werden kann, kann der Temperaturmessschritt 216 anschließend, beispielsweise ab ca. 200°C Abgastemperatur, für die Abgastemperaturmessung eingesetzt werden. So können beispielsweise ab ca. 200°C, also ab einer Temperatur, in welcher keine Tröpfchen mehr im Abgas mehr zu erwarten sind, das Heizelement 116 ausgeschaltet und die Signale eines oder beider der Temperaturfühler 122 für die Messung der Abgastemperatur T eingesetzt werden.Is the temperature threshold T _S reached or is the condition 214 no longer satisfied, so is the device 110 set up, for example by means of the controller 114 , in particular by means of the control element 132 in particular by means of a data processing device and / or a decision logic in order to switch from the first measurement mode to the droplet detection step 212 in a temperature measuring step 216 switch. While the droplet detection 212 For example, for a liquid measurement directly after the engine start in a start-up phase of an engine can be used, the temperature measuring step 216 then, for example, from about 200 ° C exhaust gas temperature, are used for the exhaust gas temperature measurement. For example, from about 200 ° C, so from a temperature in which no more droplets are expected in the exhaust more, the heating element 116 switched off and the signals of one or both of the temperature sensor 122 be used for the measurement of the exhaust gas temperature T.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

JP 2001348265 A [0002]
DE 102008040593 A1 [0003, 0007]

Claims

Method for detecting at least one property of a fluid medium, wherein a sensor element ( 112 ) with at least one heating element ( 116 ) and at least one temperature sensor ( 122 ) is used, wherein in at least one droplet detection step of the method, the sensor element ( 112 ) by means of the heating element ( 116 ) is heated, wherein the temperature of the sensor element ( 112 ) by means of the temperature sensor ( 122 ), wherein from a short-term drop in temperature, in particular a temperature peak, to an impact of fluid from the fluid medium, in particular droplets, on the sensor element ( 112 ) is closed.

Method according to the preceding claim, wherein a number of events are detected in which liquid is applied to the sensor element ( 112 ), in particular a number of impinging droplets.

The method of any one of the preceding claims, wherein the droplet detection step is performed when a temperature of the fluid medium meets at least one temperature condition.

A method according to the preceding claim, wherein the droplet detecting step is performed when the temperature of the fluid medium is below a threshold temperature or when the temperature of the fluid medium is at most the threshold temperature.

Method according to one of the preceding claims, wherein the fluid medium is an exhaust gas of an internal combustion engine, wherein the droplet detection step is carried out in a start-up phase of the internal combustion engine, in particular at a temperature of the exhaust gas of below 250 ° C.

Method according to one of the preceding claims, wherein furthermore at least one temperature measuring step is carried out, wherein during the temperature measuring step the heating element ( 116 ) is unheated or is heated to a lesser extent than during the droplet detection step, wherein by means of the temperature sensor ( 122 ) a temperature of the fluid medium is detected.

The method of the preceding claim, wherein the droplet detection step is performed when the temperature of the fluid medium meets at least a first temperature condition, wherein the temperature measuring step is performed when the temperature of the fluid medium meets at least a second temperature condition.

Method according to one of the two preceding claims, wherein the fluid medium is an exhaust gas of an internal combustion engine, wherein the droplet detection step is performed in at least a first operating phase of the internal combustion engine, in particular in a start-up phase, wherein the temperature measuring step is performed in at least a second operating phase of the internal combustion engine, in particular in a different from the first phase of operation second phase of operation.

Device for detecting a property of a fluid medium, in particular using a method according to one of the preceding claims, wherein the device comprises at least one heating element ( 116 ) and at least one temperature sensor ( 122 ), further comprising at least one controller ( 114 ), whereby the controller ( 114 ) is arranged to perform at least one droplet detection step, wherein in the droplet detection step the sensor element ( 112 ) by means of the heating element ( 116 ) is heated, wherein the temperature of the sensor element ( 112 ) by means of the temperature sensor ( 122 ), the controller ( 114 ) is adapted to a short-term drop in temperature on an impact of fluid from the fluid medium, in particular droplets, on the sensor element ( 112 ) close.

Device according to one of the preceding claims relating to a device, wherein the heating element ( 116 ) and the temperature sensor ( 122 ) are arranged in different layer planes of a layer structure.

Device according to one of the preceding claims relating to a device, wherein the device comprises a layer structure, wherein on opposite sides of the layer structure in each case a temperature sensor ( 122 ) or in each case several temperature sensors ( 122 ), wherein within the layer structure between the temperature sensors ( 122 ) the at least one heating element ( 116 ) is arranged.