DE102015002465A1

DE102015002465A1 - Verfahren zur Feinstaubmessung und Feinstaubsensor zur Bestimmung der Partikelgröße von Feinstaub

Info

Publication number: DE102015002465A1
Application number: DE102015002465.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Niemann; Carsten THUN; Ole Morisse; Alexander Göhmann
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-09-01
Also published as: CN105954160A; CN105954160B; US9689788B2; US20160252452A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Feinstaubmessung in einem Kraftfahrzeug mit einer optischen Empfangseinrichtung, beaufschlagt mindestens eine in dem Kraftfahrzeug angeordnete LED einen Außenluftbereich. Die optische Empfangseinrichtung ist zur punktweisen räumlichen Erfassung des erfassten Bereichs ausgelegt und nimmt in einem von der LED beaufschlagten Bereich eine Intensitätsmessung vor. Die gemessenen Intensitäten werden auf Beugungsmuster ausgewertet, die von der Größe der Feinstaubpartikel abhängen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinstaubmessung in einem Kraftfahrzeug mit einem optischen System. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Feinstaubsensor zur Bestimmung der Partikelgröße von Feinstaub für ein Kraftfahrzeug mit einem optischen System.
Bekannt sind Feinstaubsensoren, in denen ein Ereignisraum im Inneren eines Gehäuses mit einem optischen System untersucht wird. Dabei müssen mit einer aktiven Lüftung Rückstände immer wieder aus dem Ereignisraum herausgeführt werden und/oder der Ereignisraum muss gereinigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weitgehend wartungsfreies Verfahren zur Feinstaubmessung zu schaffen.
Dies erfolgt mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und mit einem Feinstaubsensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei einem Verfahren zur Feinstaubmessung in einem Kraftfahrzeug mit einem optischen System ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass mindestens eine in dem Kraftfahrzeug angeordnete LED einen Außenluftbereich beaufschlagt, dass ein optisches Empfangssystem, das zur punktweisen räumlichen Erfassung des erfassten Bereichs ausgelegt ist, in einem von der LED beaufschlagten Bereich eine Intensitätsmessung vornimmt, und dass die gemessenen Intensitäten auf Beugungsmuster ausgewertet werden, die von der Größe der Feinstaubpartikel abhängen. Mit einem solchen Verfahren kann eine besonders wartungsfreie Messung durchgeführt werden, da der Ereignisraum nicht durch ein Gehäuse definiert ist, sondern sich als Überschneidung des von der LED ausgeleuchteten Bereichs und dem von der optischen Empfangseinrichtung erfassten Bereichs ergibt. Feinstaub wird dabei typischerweise als Staub oder Teilchen mit einer Größe von < 2,5 μm definiert. Werden solche Teilchen von einer LED angestrahlt, so ergeben sich Beugungsmuster. Bevorzugt wird eine LED verwendet, die im Infrarotbereich, also beispielsweise im Bereich von 780 nm bis etwa 1000 nm Wellenlänge liegt. Besonders bevorzugt werden zwei LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet. Dadurch kann die Genauigkeit der Messung weiter erhöht werden. Bevorzugt senden die beiden LEDs Infrarotstrahlung aus, die jedoch bevorzugt mindestens 100 nm auseinanderliegen. Beispielsweise kann eine LED im Bereich 800 nm und eine LED im Bereich 900 nm liegen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Winkel zwischen dem Hauptmaximum und dem Maximum erster Ordnung des Beugungsmusters ermittelt. Der Winkel ist direkt proportional zur Größe der Feinstaubpartikel. Die Amplitude des Maximums erster Ordnung ist proportional zur Teilchenanzahl. Bei unterschiedlich großen Partikeln oder Staubteilchen ergibt sich eine Überlagerung verschiedener Beugungsmuster, die entsprechend detektiert und ausgewertet werden müssen.
Wenn daher LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden, ergeben sich mehr Daten für eine genauere Analyse.
Bevorzugt sind die LEDs auf einen Bereich vor der Windschutzscheibe ausgerichtet. Das Verfahren ist also rein optisch ausgebildet und verzichtet auf ein Gehäuse zur Definition des Ereignisraums und ist insofern gehäusefrei. Alternativ kann auch die Außenluft im Strömungskanal der Frischluftzufuhr des Fahrzeugs erfasst werden.
Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe mit einem Feinstaubsensor zur Bestimmung der Partikelgröße von Feinstaub für ein Kraftfahrzeug mit einem optischen System bestimmt, bei dem erfindungsgemäß der Feinstaubsensor mindestens eine LED aufweist, die einen Außenluftbereich beaufschlagt, dass der Feinstaubsensor eine optische Empfangseinrichtung aufweist, die zum punktweisen räumlichen Empfang eines von der LED beaufschlagten Bereichs ausgelegt ist und dass der Feinstaubsensor eine Auswerteeinrichtung aufweist, die die von der Empfangseinrichtung gemessenen Intensitäten auf Beugungsmuster auswertet, die von der Größe der Feinstaubpartikel abhängen. Mit einem solchen Feinstaubsensor ist ein wartungsarmer Feinstaubsensor geschaffen, der einen frei definierten Ereignisraum aufweist, der nicht von einem Gehäuse bestimmt ist. Der Begriff der Feinstaubmessung in einem Kraftfahrzeug ist hier so zu verstehen, dass zumindest die Verfahrensschritte teilweise durch in dem Kraftfahrzeug vorhandene Komponenten durchgeführt werden. Die eigentliche Messung erfolgt außerhalb des Kraftfahrzeugs, es wird also Luft, nämlich Außenluft, in Bezug auf das Kraftfahrzeug auf Feinstaub untersucht.
Bevorzugt sind zwei LEDs vorgesehen. Diese haben bevorzugt Wellenlängen im Infrarotbereich, die sich bevorzugt um etwa 100 nm unterscheiden und im Bereich zwischen 780 und 1400 nm liegen. Bevorzugt hat eine LED einen Wellenlängenbereich zwischen 780 und 850 nm und eine zweite LED liegt im Wellenlängenbereich zwischen 900 und 1000 nm.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die LEDs und die optische Empfangseinrichtung auf einem gemeinsamen Ereignisraum ausgerichtet. Der Schnittpunkt der einen bzw. zwei LEDs und der optischen Empfangseinrichtung definieren den Ereignisraum.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist der Feinstaubsensor in einen anderen Sensor integriert. Dies kann bevorzugt ein Regen-Licht-Sensor oder beispielsweise ein Luftgütesensor sein. Bevorzugt verwendet mindestens eine LED eine in diesen Sensoren vorhandene Optik. Insbesondere bei der Verwendung eines Regen-Licht-Sensors verwendet eine, bevorzugt zwei LEDs eine Optik des Regen-Licht-Sensors. Weiterhin wird bevorzugt von der optischen Empfangseinrichtung eine zweite Optik des Regen-Licht-Sensors verwendet.
Die optische Empfangseinrichtung kann beispielsweise ein Kamerasystem oder bevorzugt ein CMOS-Zeilensensor sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:
1: eine schematische Darstellung des Messprinzips;
2: eine schematische Ansicht eines Messbilds;
3: eine erste mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feinstaubsensors und;
4: eine zweite mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feinstaubsensors.
In 1 ist schematisch ein Feinstaubsensors 1 dargestellt. Dieser weist eine erste LED 2 und eine zweite LED 3 auf. Diese senden elektromagnetische Wellen im Infrarotbereich aus. Die erste LED 2 sendet bevorzugt elektromagnetische Wellen mit etwa 820 nm und die zweite LED 3 sendet bevorzugt elektromagnetische Wellen mit etwas 940 nm aus. Die elektromagnetischen Wellen werden in einen Ereignisraum 5 eingestrahlt, in dem Feinstaubpartikel 6 sind. An diesen werden die elektromagnetischen Wellen gestreut. Es erfolgt eine Lichtbeugung an kleinen Partikeln. Dies führt zu Interferenzmustern mit hellen und dunklen konzentrischen Ringen. Der Winkel der Beugung bzw. die Abstände der Ringe hängen von der Partikelgröße ab. Dadurch lassen sich Partikel mit einem Durchmesser von < 2,5 μm von größeren Partikeln unterscheiden. Die Intensität der Ringe ist wiederum proportional zur Partikelkonzentration, so dass sich auch eine quantitative Aussage treffen lässt. Das Beugungsmuster wird durch eine optische Empfangseinrichtung 4, beispielsweise einen CMOS-Liniendetektor oder eine entsprechende Kamera aufgezeichnet. Hier ist ein Hauptmaximum 7 und ein erstes Beugungsmaximum 8 dargestellt. Durch unterschiedliche Partikelgrößen ergeben sich unterschiedliche Maxima, so auch hier ein erstes Beugungsmaximum 9 einer anderen Partikelgröße.
In 2 ist dies ebenfalls noch einmal dargestellt, als Graph der Intensität auf der Y-Achse gegenüber dem Beugungswinkel auf der X-Achse. Gegenüber dem Hauptmaximum 7 erkennt man Beugungsmaxima erster Ordnung 8 und 9. Der Winkel zwischen dem Beugungsmaximum erster Ordnung und dem Hauptmaximum ist direkt proportional zur Partikelgröße. Die Amplitude ist proportional zur Partikelkonzentration. Durch die verschiedenen Partikelgrößen ergibt sich eine Überlagerung von verschiedenen Maxima, die ermittelt werden müssen.
Durch die Verwendung von zwei LEDs 2 und 3 ergeben sich mehr Daten, aus denen eine präzisere Analyse abgeleitet werden kann.
In 3 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feinstaubsensors dargestellt. Der Feinstaubsensor 1 ist einem Gehäuse 10 angeordnet, der auch einen Regen-Licht-Sensor beinhaltet. Der Regen-Licht-Sensor ist unterhalb einer Windschutzscheibe 13 angeordnet. Der Regen-Licht-Sensor weist insbesondere Optiken 11 und 12 auf, über die elektromagnetische Wellen in die Windschutzscheibe 13 eingekoppelt werden, dort teilweise reflektiert werden und wieder ausgekoppelt werden. Im vorliegenden Beispiel wird die Optik 11 durch eine LED 2 genutzt. Diese sendet elektromagnetische Wellen im Infrarotbereich durch die Optik 11 in einen Bereich vor der Windschutzscheibe 13 aus. In diesem Bereich ist auch das Sichtfeld einer optischen Empfangseinrichtung 4 gerichtet, so dass sich im Überschneidungsbereich ein Ereignisraum 5 ausbildet. Die von der optischen Empfangseinrichtung 4 detektierten Werte werden dann auf Beugungsmuster ausgewertet, so wie dies mit Bezug auf 2 beschrieben ist.
In 4 ist eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feinstaubsensors 1 dargestellt. Auch hier ist der Feinstaubsensor 1 in einen Regen-Licht-Sensor mit einem Gehäuse 10 und Optiken 11 und 12 integriert. Hier ist unterhalb der Optik 11 sowohl eine erste LED 2 als auch eine zweite LED 3 angeordnet, die beide die Optik 11 nutzen, so dass die von diesen LEDs 2 und 3 ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen in einem Bereich vor der Windschutzscheibe ausstrahlen. Unterhalb der zweiten Optik 12 ist hier die optische Empfangseinrichtung 4, insbesondere der CMOS-Zeilendetektor angeordnet. Im Schnittbereich der von den LEDs 2 und 3 ausgesandten elektromagnetischen Wellen und dem von der optischen Empfangseinrichtung 4 erfassten Bereich wird der Ereignisraum 5 definiert. Dieser liegt vor der Windschutzscheibe 13.
Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.

Claims

Verfahren zur Feinstaubmessung in einem Kraftfahrzeug mit einer optischen Empfangseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine in dem Kraftfahrzeug angeordnete LED (2, 3) einen Außenluftbereich beaufschlagt, dass die optische Empfangseinrichtung (4) zur punktweisen räumlichen Erfassung des erfassten Bereichs ausgelegt ist und in einem von der LED (2, 3) beaufschlagten Bereich eine Intensitätsmessung vornimmt, und dass die gemessenen Intensitäten auf Beugungsmuster ausgewertet werden, die von der Größe der Feinstaubpartikel abhängen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei LEDs (2, 3) mit unterschiedlichen Wellenlängen im Infrarotbereich den Außenluftbereich beaufschlagen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die LED (2, 3) in einen Bereich vor einer Windschutzscheibe (13) strahlt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Beugungsmuster der Winkel zwischen dem Hauptmaximum (7) und dem Maximum erster Ordnung (8) ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Maximums erster Ordnung (8) hinsichtlich der Partikelkonzentration ausgewertet wird.
Feinstaubsensor für ein Kraftfahrzeug mit einer optischen Empfangseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Feinstaubsensor (1) mindestens eine LED (2, 3) aufweist, die einen Außenluftbereich beaufschlagt, dass die optische Empfangseinrichtung (4) zur punktweisen räumlichen Erfassung eines von der LED (2, 3) beaufschlagten Bereichs ausgelegt ist und dass der Feinstaubsensor (1) eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der von der optischen Empfangseinrichtung (4) aufgenommenen Beugungsmuster aufweist.
Feinstaubsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Feinstaubsensor (1) zwei LEDs (2, 3) aufweist.
Feinstaubsensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs (2, 3) und die optische Empfangseinrichtung (4) auf einen Ereignisraum (5) ausgerichtet sind.
Feinstaubsensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Feinstaubsensor (1) in einen Regen-Licht-Sensor integriert ist.
Feinstaubsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine LED (2, 3) eine in dem Regen-Licht-Sensor vorhandene Optik (11) nutzt.
Feinstaubsensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei LEDs (2, 3) eine erste Optik (11) nutzen und dass die optische Empfangseinrichtung (4) eine zweite Optik (12) nutzt.
Kraftfahrzeug mit einer Windschutzscheibe (13) und einem hinter der Windschutzscheibe (13) angeordneten Regen-Licht-Sensor mit einem Gehäuse (10) und Optiken (11, 12), die auf die Windschutzscheibe (13) ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in den Regen-Licht-Sensor ein Feinstaubsensor (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 11 integriert ist.