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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Partikelzähler mit einer Laserlichtquelle und einem Photodetektor. Partikelzähler sind Geräte zur Detektion der Größe und Anzahl von Partikeln in Flüssigkeiten oder Gasen. Im Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen zur Partikelmessung und Partikelzählung bekannt. Grundlage für die Streulicht-Partikelzähler ist eine Laserlichtquelle, ein Photodetektor und eine Messzelle, durch die ein Luftstrom gezogen wird. Das Verfahren basiert darauf, dass ein Laserstrahl durch den Luftstrom gesendet wird. Trifft er auf ein Partikel, kommt es zu Streuung, die mittels eines Detektors gemessen wird. Wichtig dabei ist, dass der Detektor eine hohe Empfindlichkeit hat, denn die Intensität des Streulichtes ist gering und abhängig von der Partikelgröße. Hierfür ist es erforderlich, dass es innerhalb der Messzelle dunkel ist. Weiterhin müssen die Partikel mittels des Luftstromes in die Messzelle geleitet werden.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Partikelmessung mit geringem Leistungsverbrauch und geringer Baugröße für den mobilen Einsatz oder als Sensor für vernetzte Systeme bereitzustellen.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem Partikelzähler mit einer Laserlichtquelle und einem Photodetektor.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Partikelzähler einen Laserscanner mit wenigstens einem auslenkbaren Spiegel aufweist, welcher um wenigstens eine Drehachse auslenkbar ist.
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Vorteilhaft ist hierbei das Laserlicht zu den Partikeln führbar, wodurch die Messzelle und die Vorrichtung zur Erzeugung des Luftstroms entfallen können. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Photodetektor eine Single Photon Avalanche Diode (SPAD) oder ein SPAD-Array ist. Vorteilhaft ist die hohe Empfindlichkeit und geringe Ansprechzeit, wodurch Streulichtmessungen aus einem bestimmten Flächen- oder Raumsegment aufgenommen werden können, dessen Länge durch die Messzeit bestimmt ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der auslenkbare Spiegel ein MEMS Mikrospiegel ist. Vorteilhaft kann die Vorrichtung hiermit sehr kompakt und billig hergestellt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der auslenkbare Spiegel um zwei, insbesondere orthogonale, Drehachsen auslenkbar ist. Vorteilhaft können hierdurch Partikelmessungen in einem bestimmten Raumsegment vorgenommen werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Partikelzähler eine Auswerteeinrichtung umfasst, welche dazu eingerichtet ist, Partikel zu zählen und/oder Partikel zu messen. Vorteilhaft kann aus der Anzahl der Intensitätsänderungen des Lichteinfalls auf den Photodetektor die Anzahl der Partikel bestimmt werden. Vorteilhaft kann aus der Intensität des Lichteinfalls auf den Photodetektor die Größe der Partikel bestimmt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Partikelzähler eine Fokussieroptik zum fokussieren eines Laserstrahls aus der Laserlichtquelle aufweist, wobei die Fokussieroptik dazu eingerichtet ist, einen Strahldurchmesser im Fokus < 1mm, insbesondere < 10µm, zu bewirken.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine durch die Fokussieroptik bewirkte Fokallänge innerhalb einer durch ein Messzeitfenster des Photodetektors vorgegebenen Messdistanz liegt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Laserlichtquelle zum Emittieren von Licht mit einer Wellenlänge < 550nm eingerichtet ist. Vorteilhaft ist, dass der Laserstrahl fokussiert wird, so dass die Taille des Strahles innerhalb der Distanz zu liegen kommt, die dem durch das Zeitintervall vorgegebenen Messfenster entspricht. Der Strahldurchmesser im Fokus soll dabei < 1mm, bevorzugt < 100µm besonders bevorzugt < 10µm sein. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Laserstrahl mit einer Leistung betrieben wird, die einem sicheren Betrieb ermöglicht. Die Laserleistung wird dabei gemäß der Wellenlänge und Pulsform derart gewählt, dass gemäß der Industrienorm „IEC 60825-1:2007, Auflage 2 – Sicherheit von Laserprodukten – Teil 1: Geräteklassifizierung und Anforderungen“ eine Einstufung in Klasse I oder Klasse II erfolgen kann. Aufbauend auf dem Streulicht-Prinzip werden bei der vorliegenden Erfindung folgende Aspekte verbessert gelöst:
Bei der Streulichtmessung wird eine SPAD-Diode bzw. ein SPAD-Dioden-Array eingesetzt, die eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Hierbei wird ein Laser (Wellenlänge 350–950nm, bevorzugt < 660nm, besonders bevorzugt < 470nm, insbesondere 405nm) gepulst und das Streulicht nur innerhalb eines Zeitfensters nach dem jeweiligen Puls ausgewertet und mit der Dunkelzählrate verglichen. Hierdurch wird nur das Streulicht von Partikeln bestimmt, die sich in einer dem Zeitfenster entsprechenden Distanz zum Gerät befinden. Eine bevorzugte Messstrecke liegt in einem Abstand vom Photodetektor im Bereich 0,5–100 cm, bevorzugt 1–25 cm, besonders bevorzugt 3–10 cm. Dies entspricht einem Zeitfenster für die Detektion von 180 ps bis 600 ps nach Aussendung des Lichts. Reflexionen des Laserlichtes von Objekten, die ebenfalls in dem gescannten Raum vor dem Gerät Licht streuen, werden hierdurch ignoriert. Um Hintergrundlicht zu reduzieren kann ein schmalbandiger Filter vor der Sammeloptik genutzt werden oder in einem nach außen abgeschatteten Raum gemessen werden. Für eine mobile Anwendung kann der Hintergrundlichtpegel ebenfalls reduziert werden, in dem der Prüflaser auf einen dunklen Gegenstand in einem Abstand von kleiner 100 cm, jedoch nicht näher als die maximale, gerichtet wird; z.B. im Abstand ca. 20 cm auf die abgeschattete Handfläche eines Benutzers bei einer Prüfstrecke 3–10 cm.
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Die für einen Projektor in einem Mobiltelefon oder Smartphone bereits integrierten Komponenten wie z.B. Lichtquelle, Mikrospiegel und SPAD-Detektor, beispielsweise für die Zusatzanwendung Distanzmessung, können somit für eine weitere Anwendung genutzt werden, um Partikelmessung durchzuführen und so beispielsweise die Luftqualität zu bestimmen.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von Partikeln muss kein Medium eingesaugt werden. Der Aufbau kann sehr kompakt ausgelegt werden (Volumen < 1 cm3). Herstellungskosten von wesentlich weniger als 10 US Dollar sind möglich.
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Zeichnung
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1a zeigt einen Streulicht-Partikelzähler mit einer Laserlichtquelle, einer Messzelle und einem Photodetektor im Stand der Technik.
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1b zeigt einen erfindungsgemäßen Streulicht-Partikelzähler mit einer Laserlichtquelle, einem 1D- oder 2D-Scanner und einem SPAD Detektor.
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2 zeigt einen Aufbau zur Partikelmessung mit einem erfindungsgemäßen Streulicht-Partikelzähler.
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3 zeigt ein Zeitschema für eine Messung mit einem erfindungsgemäßen Streulicht-Partikelzähler.
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Ausführungsbeispiele
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1a zeigt einen Streulicht-Partikelzähler mit einer Laserlichtquelle, einer Messzelle und einem Photodetektor im Stand der Technik. Dargestellt sind eine Laserlichtquelle 10, ein Photodetektor 20 und eine Messzelle 40. Ein Luftstrom 50 wird durch die Messzelle 40 geführt. Der Luftstrom enthält die zu zählenden oder auch messenden Partikel 60. Die Beleuchtung mit der Laserlichtquelle 10 ist statisch. Die Streulichtmessung erfolgt mit dem Photodetektor 20. 1b zeigt einen erfindungsgemäßen Streulicht-Partikelzähler mit einer Laserlichtquelle, einem 1D- oder 2D-Scanner und einem SPAD Detektor. Dargestellt ist einer Laserlichtquelle 10, ein 1D- oder 2D-Scanner 30 und einem SPAD Detektor 20. Der 1D- oder 2D-Scanner 30 weist einen in einer oder zwei Richtungen schwingenden Spiegel, insbesondere einen MEMS-Mikrospiegel auf. Im Messbetrieb wird von der Laserlichtquelle 10 ein gepulster Laserstrahl 15 mit einer Wellenlänge zwischen 1100 nm und 400 nm, bevorzugt < 700 nm und einer Pulslänge von 0,1–10 ns ausgesendet und auf den Scanner 30 gerichtet. Der Laserstrahl 15 wird von dem 1D- oder 2D-Scanner 30 mit dem in einer oder zwei Richtungen schwingenden Spiegel zu einem 2-dimensionalen Fächer oder einem 3-dimensionalen Trichter aufgezogen. Mit diesem scannenden Laserstrahl wird der Bereich vor dem erfindungsgemäßen Partikelzähler beleuchtet, und zwar innerhalb des aufgespannten Betrachtungswinkels 70. Befinden sich Partikel 60 innerhalb des Scan-Bereiches, wird ein kleiner Teil der Laserstrahlung gestreut und auf den Detektor 20 geleitet. Das Streulicht kann einen Filter 90 passieren, welcher schmalbandig um die Laserwellenlänge ausgestaltet ist. Der Detektor ist bevorzugt eine SPAD (Single Photon Avalanche Diode). Vorteil der SPAD ist die hohe Empfindlichkeit und kurze Ansprechzeit. Bei Lichtmessung in einem entsprechenden kurzen Zeitfenster werden nur Messsignale berücksichtigt, die sich innerhalb einer Betrachtungslänge 80 von 3–10 cm bzw. bis zu 0–100 cm befinden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Streulichtmessung nur in einem Zeitintervall von 0–10000 ps, bevorzugt 180–600 ps durchgeführt wird. 2 zeigt einen Aufbau zur Partikelmessung mit einem erfindungsgemäßen Streulicht-Partikelzähler. Die Abbildung ist eine Prinzip-Skizze entlang des optischen Pfades (Querschnitt von 1b). Erfindungsgemäß wird ein Laserstrahl 15 mit sehr kleinem Durchmesser von 0,001 mm–1 mm, bevorzugt 1 µm–200 µm, besonders bevorzugt < 10 µm, verwendet. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem eine Fokussieroptik 100 des Lasers 10 derart eingestellt wird, dass der Strahl 15 auf einen Punkt inmitten der Messstrecke 110 fokussiert wird und damit einen kleinen Durchmesser über die gesamte Messstrecke 110 erhält. Hierdurch wird erreicht, dass eine erhöhte Leuchtdichte entsteht und das Signal des reflektierten Lichtes verbessert wird. Auch verbessert sich das Signal-Rausch Verhältnis gegenüber dem Umgebungslicht. In 2 ist dabei exemplarisch der reflektierte Lichtanteil 130 von der Streuung durch ein Partikel 60 gezeigt, der über eine Sammeloptik 120 auf den Detektor 20 (SPAD oder SPAD-Array) gelenkt wird. 3 zeigt ein Zeitschema für eine Messung mit einem erfindungsgemäßen Streulicht-Partikelzähler. Die Begrenzung der Messzeit auf die Messstrecke wird erfindungsgemäß z.B. dadurch realisiert, dass die SPAD-Diode nur innerhalb eines Messfensters 200 aktiv geschalten wird. Dies geschieht dadurch, dass die Vorspannung der SPAD zunächst unter der Durchbruch- oder Zener-Spannung gehalten wird und erst für die Messung auf den Betriebswert (aktiv) oberhalb der Zener-Spannung gezogen wird. Nach dem Messfenster wird die Spannung wieder auf den inaktiven Wert zurückgenommen. Innerhalb des Messfensters 200 wird Streulicht und Hintergrundlicht gemessen. Eine Referenzmessung 300 erfolgt in einem identischen Messintervall wie es für die Streulichtmessung gewählt wird, jedoch erfolgt die Messung ohne vorhergehenden Laserpuls. Bei der Referenzmessung 300 erfolgt daher nur eine Messung des Hintergrundlichts. Für die Begrenzung der Messstrecke 110 auf einen Wert deutlich < 1m ist es wichtig, dass die Länge des Laserpulses ebenfalls klein ist. Die Länge des Pulses soll die entsprechende Dauer für die Messstrecke 110 nicht um einen Faktor > 10 überschreiten (z.B. Pulslänge 500 ps, Messfenster zwischen 180 ps und 600 ps). Die Verwendung anderer im Stand der Technik bekannter Photodetektoren ist ebenfalls möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Laserlichtquelle
- 15
- Laserstrahl
- 20
- Photodetektor
- 30
- Scanner
- 40
- Messzelle
- 50
- Luftstrom
- 60
- Partikel
- 70
- Betrachtungswinkel
- 80
- Betrachtungslänge
- 90
- Filter
- 100
- Fokussieroptik
- 110
- Messstrecke
- 120
- Sammeloptik
- 130
- reflektierter Lichtanteil
- 200
- Messfenster
- 300
- Referenzmessung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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