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Die Erfindung betrifft eine Anordnung für die laserbasierte Partikeldetektion.
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In der laserbasierten Partikeldetektion wird mittels einer Laserlichtquelle, beispielsweise einer Laserdiode Laserlicht erzeugt und auf die zu detektierenden Partikel geleitet. Das sich ergebende Streulicht wird unter bestimmten Winkeln aufgefangen, das Signal gemessen und daraus auf die Partikelgröße geschlossen. In einem solchen Aufbau kann die Partikelgröße beispielsweise mit Hilfe der Mie-Theorie bestimmt werden. Um Messunsicherheiten und den Einfluss des Partikelbrechungsindex zu minimieren, wird dabei oftmals eine zweite oder beliebige weitere Winkelinformation in die Auswertung mit einbezogen. Das Limit der detektierbaren Partikelgröße wird hierbei durch das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) bestimmt.
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Während bei großen Aufbauten komplexe optische Systeme realisiert werden können, ist es bei der Miniaturisierung eines solchen Detektionsaufbaus essentiell, die systematischen Bestandteile und ihr Arrangement zu vereinfachen. Standardmäßig werden, um eine größere Menge Streulicht aufzufangen (höheres SNR), Spiegel oder großflächige Linsen eingesetzt. Beide Lösungen weisen jedoch die Schwierigkeit auf, dass eine zweite Winkelinformation fehlt, die Montage Zeit- und kostenintensiv ist, sowie bei Temperaturanstiegen die optischen Eigenschaften sowie die materielle Belastbarkeit verschlechtert sind (gegenüber radikalen Gasen, sowie durch mechanische Verspannungen der Komponenten gegenüber den Aufhängpunkten). Sollen Spiegel oder Linsen für mehrere Winkelinformationen verwendet werden, so müssen diese zusätzlich aufwändig angepasst werden. Dies stellt bislang bei der Herstellung größerer Stückzahlen miniaturisierter Messsysteme eine erhebliche Einschränkung dar.
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Ein weiteres Problem in Partikelstreulichtmesssystemen ist die Kontamination oder Angriff der Oberflächen der Detektoren oder Glaslinsen durch Dämpfe und Partikel, welche durch das Messsystem geführt werden. Das Problem der Partikelkontamination wird in den meisten Aufbauten standardmäßig durch sog. „sheath air“ gelöst, welche einen Mantel gereinigter Luft darstellt, welcher um den zentral geführten Partikelstrom herum aufgebaut wird. Dies bedeutet jedoch eine höhere Komplexität und Größe des Messsystems. Eine Berührung der Detektoren mit dem Partikel tragenden Gas kann jedoch nicht ganz ausgeschlossen werden. Ein weiteres Problem besteht im Hintergrundsignal der Detektoren, welches durch zufällige Reflektionen des Laserlichts entsteht und welches die maximale elektrische Signalverstärkung, sowie die maximale Laserleistung limitiert.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Anordnung für die laserbasierte Detektion von Partikeln anzugeben, mit der eine Vermeidung der eingangs genannten Nachteile ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung.
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Die erfindungsgemäße Anordnung für die laserbasierte Detektion von Partikeln weist eine Laserlichtquelle zur Bestrahlung der Partikel mit Laserlicht, wenigstens eine Fresnellinse und wenigstens einen Photodetektor zur Aufnahme von an Partikeln gestreutem und von der Fresnellinse umgeleitetem Laserlicht auf. Fresnellinsen sind vorteilhafterweise dünn, einfach herstellbar, besitzen ein hohes Durchmesser/Fokusweite-Verhältnis und sind für alle Geometrien einfach berechenbar.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anordnung ein Gehäuse mit einer ersten und zweiten Kammer aufweist, wobei eine Partikelzuführung, beispielsweise eine Düse, zur Zuführung der zu vermessenden Partikel in die erste Kammer vorgesehen ist und weiterhin der Photodetektor in der zweiten Kammer angeordnet ist und die zweite Kammer gegenüber der ersten Kammer durch die Fresnellinse partikeldicht abgeschlossen ist. Beispielsweise kann zwischen der ersten und zweiten Kammer eine Trennwand vorgesehen sein, die lichtdicht abschließt. Die Fresnellinse ersetzt einen beispielsweise ring- oder kreisförmigen Teil dieser Trennwand, wodurch der entsprechende Teil lichtdurchlässig wird, aber partikeldicht oder sogar gasdicht bleibt. Es wird somit vorteilhaft eine Möglichkeit geschaffen, den Photodetektor vor Verschmutzung durch die Partikel oder vor Angriff durch anderweitig in das Gehäuse eingelassene Gase zu verhindern. Weiterhin wird eine eventuelle Temperaturänderung der Detektoren durch das Trägergas vermieden und damit die Messzuverlässigkeit erhöht.
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Bevorzugt ist die Fresnellinse ringförmig ausgestaltet. Vorteilhaft ist es, wenn im Zentrum der ringförmigen Fresnellinse eine Strahlfalle zur Absorption des Laserlichts angeordnet ist. Hierdurch wird vermieden, dass Laserlicht, das nicht an den Partikeln gestreut wurde, in den Photodetektor gelangt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwei oder mehr Fresnellinsen verwendet werden. Diese sind bevorzugt konzentrisch angeordnet, beispielsweise um die Strahlfalle herum. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Fresnellinsen zusammen wiederum den partikeldichten Abschluss zwischen den Kammern bilden. Mit einer Mehrzahl an Fresnellinsen können zusätzliche Winkelinformationen gewonnen werden. Die Messung zweier oder mehrerer Winkelinformationen des Streulichts in Vorwärtsrichtung hat den Vorteil, dass das Hintergrundsignal durch zufällige Reflektionen des Laserlichts minimiert wird. Dadurch wird das Signal-Rausch-Verhältnis und damit die Genauigkeit oder Auflösung der Messung verbessert. Dabei kommen zweckmäßig mehrere Photodetektoren, insbesondere Avalanche-Photodioden, zum Einsatz. Die unterschiedlichen Winkelinformationen werden dabei insbesondere dadurch gewonnen, dass die Fresnellinsen aus Sicht der Laserlichtquelle ein kurzes Stück, beispielsweise im Bereich von 1 cm hinter dem Kreuzungspunkt des Laserlichts mit dem Partikelstrahl und umeinander, d. h. in verschiedenem Abstand vom Laserstrahl angeordnet sind. Dabei sind die Fresnellinsen bevorzugt konfokal ausgerichtet. Durch die konfokale Ausrichtung der Linsen wird die Abbildung von zufälligem, beispielsweise an der Strahlfalle reflektiertem Laserlicht auf das Signal des Photodetektors minimiert.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Fresnellinse oder Fresnellinsen im Wesentlichen aus Kunststoff bestehen, insbesondere aus PMMA und das Gehäuse ebenfalls im Wesentlichen aus Kunststoff besteht, insbesondere aus PMMA besteht. Gehäuse und Fresnellinsen können dann in einem gemeinsamen Herstellungsprozess in einfacher Weise, beispielsweise mittels Spritzgusstechnik gefertigt werden. Es ist dabei möglich, beispielsweise unterschiedliche Kunststoffe für das Gehäuse und die notwendigerweise lichtdurchlässigen Fresnellinsen zu verwenden oder das Gehäuse nach dem Spritzguss einzufärben.
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Wenn das Material der Fresnellinsen und der Kammer gleich ist, sind Probleme durch Verspannungen vorteilhaft ausgeschlossen. Die Herstellung aus PMMA, also Acrylglas, bedeutet gleichzeitig eine hohe Beständigkeit gegen verschiedenste chemische Substanzen. Vorteilhaft sind die einzigen zusätzlich zum mit Spritzguss hergestellten Messsystem zu montierenden Komponenten der Photodetektor und die Laserlichtquelle. Das System besteht somit aus einem zentralen Teil, welches leicht und günstig ausgetauscht werden kann, sollte dieses beschädigt werden.
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Ist der Aufbau wie beschrieben so realisiert, dass die Photodetektoren und insbesondere auch die Laserlichtquelle partikeldicht abgeschlossen sind von der ersten Kammer, durch die die Partikel treten, ist es vorteilhaft möglich, einen Reinigungsschritt des Messraums, also der ersten Kammer durchzuführen um das Messsystem nach Messungen mit hohen Partikelkonzentrationen, beispielsweise nach einem Durchbruch eines Dieselmotors, wieder zu reinigen. Die Notwendigkeit eines schützenden Luftmantels entfällt. Durch die Herstellung mit Spritzgussverfahren und Fresnellinsen kann der Aufbau noch weiter verkleinert werden als dies der Fall wäre, wenn die Komponenten einzeln in das System integriert werden. Ebenfalls sind die Abmessungen und Details durch die Herstellung per Spritzgussverfahren sehr präzise, sodass Schwankungen bei Eigenschaften optischer Komponenten und Einbauungenauigkeiten minimiert werden können.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind bei Verwendung mehrerer Fresnellinsen diese derart aufgebaut, dass sie einem exzentrischen ringförmigen Schnitt aus einer vollflächigen Fresnellinse entsprechen. Hiermit wird erreicht, dass die Fresnellinsen das Licht derart in verschiedene Richtungen ablenken, dass die Photodetektoren weit auseinander platziert werden können und somit wenig Übersprechen zwischen den Winkelinformationen zu erwarten ist.
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Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen
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1 ein laserbasiertes Messsystem,
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2 und 3 eine vollständige Fresnellinse und für das Messsystem verwendete Ausschnitte aus der Fresnellinse,
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1 zeigt ein Messsystem 10 für die laserbasierte Detektion von Partikeln. Das Messsystem 10 umfasst ein Gehäuse 11, das in Spritzgusstechnik aus PMMA gefertigt ist. Das Gehäuse 11 ist im Wesentlichen quaderförmig. In der 1 ist dabei ein Gehäusedeckel nicht gezeigt, der das Gehäuse 11 abschließt und eine Partikelzuführung enthält.
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An einer Seite weist das Gehäuse 11 einen zylinderförmigen Fortsatz 12 auf. Im zylinderförmigen Fortsatz 12 ist eine Laserdiode 13 angeordnet, die so ausgerichtet ist, dass sie einen Laserstrahl 15 in das Innere des Gehäuses 11 abgibt. Im zylinderförmigen Fortsatz 12 im Strahlengang des Laserstrahls 15 ist eine zugehörige Linsenoptik 14 zur Fokussierung des Laserstrahls 15 angebracht. Die nicht gezeigte Partikelzuführung ist so gestaltet, dass die zu vermessenden Partikel im Wesentlichen in einem eng gebündelten Strahl durch das Gehäuse 11 laufen und dabei durch den Laserstrahl 15 treten, wobei der Laserstrahl 15 von der Linsenoptik 14 so gebündelt wird, dass die schmalste Stelle des Laserstrahls 15 genau in den Kreuzungspunkt des Laserstrahls 15 mit dem Strahl aus Partikeln fällt.
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Im Strahlengang des Laserstrahls 15 etwa in der Mitte des Gehäuses 11 ist eine Strahlfalle 17 angebracht, in der der Laserstrahl 15 weitestgehend reflektionsfrei absorbiert wird. Die Strahlenfalle 17 dient dazu, fehlerhafte Signale auszuschließen, die durch eine ungewollte Reflektion des Laserstrahls an Komponenten des Messsystems 10 anstatt an den Partikeln erzeugt werden. Die Strahlfalle 17 ist im Wesentlichen als zylinderförmiges Element des Gehäuses 11 ausgestaltet. Bei der Herstellung wird die Strahlfalle 17 mit dem Gehäuse 11 in einem Schritt gefertigt.
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Um die Strahlfalle 17 herum ist eine innere ringförmige Fresnellinse 19 angeordnet. Die innere ringförmige Fresnellinse 19 ist dabei ein Teil einer kreisförmigen vollständigen Fresnellinse 200. 2 zeigt die vollständige Fresnellinse 200 in Aufsicht, wobei die Ringe 201 der vollständigen Fresnellinse 200 als gestrichelte Linien angedeutet sind. Die innere ringförmige Fresnellinse 19 ist ein exzentrischer Ausschnitt aus der vollständigen Fresnellinse 200. Die Lage des Ausschnitts in der 2 entspricht auch der Lage der Ringe in der 1, also der Einbaulage der inneren ringförmigen Fresnellinse 19. Mit der Einbaulage wird die Richtung der Ablenkung von gestreutem Licht 16 bestimmt.
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Durch die Gestaltung der inneren ringförmigen Fresnellinse 19 als exzentrischer Ausschnitt einer vollständigen Fresnellinse 200 und der Wahl der Einbaulage wird das von Partikeln gestreute Laserlicht 16 beim Durchgang durch die innere ringförmige Fresnellinse 19 zu einem ersten Photodetektor in Form einer ersten Avalanche-Photodiode 21 gelenkt, sofern das Streulicht 16 durch die innere ringförmige Fresnellinse 19 tritt. Die erste Avalanche-Photodiode 21 erzeugt hieraus ein elektrisches Signal, das im Folgenden von einer in 1 nicht dargestellten Elektronik ausgewertet werden kann zu einer ersten Winkelinformation, wobei der abgefragte Winkelbereich sich aus der Größe der inneren ringförmigen Fresnellinse 19 und der Lage zum Streupunkt der Partikel, d. h. dem Kreuzungspunkt des Laserstrahls 15 mit dem Strahl aus Partikeln, ergibt.
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Um die innere ringförmige Fresnellinse 19 herum ist eine äußere ringförmige Fresnellinse 18 angeordnet. Diese ist ähnlich zur inneren ringförmigen Fresnellinse 19 aufgebaut, ist also ebenfalls ein exzentrischer Ausschnitt aus der vollständigen Fresnellinse 200, wobei der Ausschnitt und die Anordnung diesmal anhand der 3 gewählt sind. Die äußere ringförmige Fresnellinse 18 lenkt das von ihr aufgenommene Streulicht 16 zu einer zweiten Avalanche-Photodiode 20. Die zweite Avalanche-Photodiode 21 erzeugt hieraus ebenfalls ein elektrisches Signal, das von der Elektronik mit ausgewertet werden kann zu einer zweiten Winkelinformation, wobei der abgefragte Winkelbereich sich aus der Größe der äußeren ringförmigen Fresnellinse 19 und der Lage zum Streupunkt der Partikel ergibt.
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Die erste und die zweite Winkelinformation werden von der Elektronik vorteilhaft kombiniert und gemeinsam zur Auswertung und Ermittlung der Partikelgröße herangezogen, woraus sich ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis ergibt.
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Vorteilhaft ist bei dem Messsystem 10 der Aufbau der inneren und äußeren ringförmigen Fresnellinse 18, 19 sowie der Strahlfalle 17 so in das Gehäuse 11 integriert und das Gehäuse so gestaltet, dass die genannten Komponenten einen gas- und somit auch Partikeldichten inneren Abschluss 22 im Gehäuse 11 schaffen. Da die Fresnellinsen 18, 19 eine Vorwärtsstreuung durchführen, wird dadurch das Streulicht 16 durch den gasdichten inneren Abschluss 22 hindurch geleitet zu den Avalanche-Photodiode 20, 21. Diese sind somit von den Partikeln und Gasen, die zur Messung zwangsläufig in das Innere des Gehäuses 11 geleitet werden müssen, geschützt.
