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Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Feinstaubmessung für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einer Laserlichtquelle, mit mindestens einem der Laserlichtquelle zugeordneten Linsenkörper, mit mindestens einer der Laserlichtquelle zugeordneten Kalibrierungseinrichtung und mit mindestens einem Messraum.
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Messeinrichtungen zur Feinstaubmessung kommen vielfach im Kraftfahrzeugbereich zum Einsatz. Durch die Messeinrichtungen kann beispielsweise die Umgebungsluft des Kraftfahrzeuges auf das Vorhandensein von Feinstaubpartikeln hin untersucht werden. Zumeist kommen hierbei optische Messverfahren zum Einsatz, bei denen ein zu untersuchendes Luftvolumen in einem Messraum durch einen Laser bestrahlt wird und die Veränderung des Laserstrahls mittels einer optischen Empfangseinrichtung erfasst wird. Nachteilig bei diesen Vorrichtungen ist, dass für jeden Messraum eine Laserlichtquelle, ein Linsenkörper und eine Kalibrierungseinrichtung für die Laserlichtquelle zur Verfügung stehen müssen. Insbesondere die Verwendung mehrerer Laser bei mehreren Messräumen macht die Produktion der Messeinrichtung kostenintensiv.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei der eine kostengünstige Fertigung ermöglicht ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Messeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei einer Messeinrichtung zur Feinstaubmessung für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einer Laserlichtquelle, mit mindestens einem der Laserlichtquelle zugeordneten Linsenkörper, mit mindestens einer der Laserlichtquelle zugeordneten Kalibrierungseinrichtung, mit mindestens einem Messraum und mit mindestens einer optischen Empfangseinrichtung, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass die Messeinrichtung mindestens zwei Messräume aufweist, dass mindestens einer Laserlichtquelle mindestens zwei Messräume zugeordnet sind und dass jeder Messraum mindestens eine optischen Empfangseinrichtung zur Detektion von Laserlicht aufweist.
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Durch die Verwendung zweier Messräume ist die parallele Untersuchung von verschiedenen Luftvolumina, beispielsweise eines Luftvolumens der Umgebungsluft des Kraftfahrzeuges und eines Luftvolumens der Innenraumluft des Kraftfahrzeuges ermöglicht. Hierdurch kann beispielsweise entschieden werden, ob ein Luftaustausch zwischen dem Innenraum des Kraftfahrzeuges und der Umgebung sinnvoll ist. Den beiden Messräumen ist hierbei eine Laserlichtquelle zugeordnet, die beide Messräume zur Untersuchung mit Laserlicht bestrahlt. Durch die Bestrahlung beider Messräume mit dem Laserlicht nur einer Laserlichtquelle können die sich in den beiden Messräumen befindlichen Luftvolumina parallel untersucht werden, ohne dass zwei Laserlichtquellen notwendig sind. Zur Erfassung des Laserlichtes nach dem Durchgang durch das jeweilige zu untersuchende Luftvolumen weist jeder Messraum eine optische Empfangseinrichtung zur Detektion des Laserlichtes auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Messeinrichtung genau zwei Messräume auf, die Messeinrichtung weist mindestens einen, den beiden Messräumen zugeordneten Spiegelkörper auf, der Spiegelkörper weist zwei Spiegelflächen auf, die Spiegelflächen sind einander abgewandt angeordnet, die Spiegelflächen spannen einen Winkel auf, die Spiegelflächen bilden zusammen eine Kante aus und der Strahlengang des von der Laserlichtquelle ausgesendeten Laserlichtes ist auf die Kante ausgerichtet. Zur Aufteilung des Laserlichtes einer Laserlichtquelle weist die Messeinrichtung einen Spiegelkörper mit zwei spiegelnden Flächen auf. Vorzugsweise ist der Spiegelkörper dabei so ausgebildet, dass die beiden Spiegelflächen einander abgewandt angeordnet sind und jeweils mindestens eine gerade Kante aufweisen. Vorzugsweise treffen die beiden Spiegelflächen an einer Ecke, die durch die geraden Kanten der Spiegelflächen ausgebildet ist, aufeinander. Die beiden Spiegelflächen des Spiegelkörpers sind also über Eck angeordnet und spannen einen Winkel auf. Der Strahlengang des von der Laserlichtquelle ausgesendeten Laserlichtes ist auf die Kante des Spiegelkörpers ausgerichtet. Somit wird das ausgesendete Laserlicht in zwei Richtungen gestreut, so dass es zur Untersuchung in beiden Messräumen zur Verfügung steht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung spannen die Spiegelflächen einen 90° Winkel auf, wobei die Spiegelflächen nach außen gerichtet sind. Die Spiegelflächen des Spiegelkörpers können so angeordnet sein, dass die Spiegelflächen im rechten Winkel zueinander stehen. Der Spiegelkörper mit seinen beiden Spiegelflächen bildet somit eine rechtwinklige Kante aus, wobei die Spiegelflächen nach außen gerichtet sind. Auf diese Kante kann ein Laserstrahl ausgerichtet werden, so dass der Laserstrahl in zwei Raumrichtungen gestreut wird. Der Spiegelkörper ist zwischen zwei Messräumen angeordnet und durch die vorangestellte Kante des Spiegelkörpers kann der Laserstrahl in beide Messräume gestreut werden, so dass eine parallele Messung in beiden Messräumen mit einer Laserlichtquelle ermöglicht ist. Jeder Spiegelfläche kann ein Linsenkörper zugeordnet sein, so dass der Laserstrahl entsprechend auf die Messräume aufgeweitet werden kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Messräume nebeneinander angeordnet, der Spiegelkörper ist zwischen den Messräumen angeordnet, jeweils eine Spiegelfläche ist einem Messraum zugeordnet und der Strahlengang des Laserlichts verläuft zumindest abschnittsweise zwischen den beiden Messräumen. Die beiden Messräume können nebeneinander angeordnet sein, wobei der Spiegelkörper zwischen den beiden Messräumen angeordnet ist. Vorzugsweise sind hierbei die Spiegelflächen des Spiegelkörpers jeweils einem Messraum zugewandt angeordnet. Die Kante, die von den beiden Spiegelflächen ausgebildet ist, ist dem Laserstrahl, also der Laserlichtquelle zugewandt angeordnet. Vorzugsweise ist ein Winkel von 135° zwischen dem Laserstrahl bzw. der Strahlachse des Laserstrahl und einer Spiegelfläche aufgespannt. Der Laserstrahl trifft auf die Kante des Spiegelkörpers und die Spiegelflächen und durch den aufgespannten Winkel zwischen dem Laserstrahl und den Spiegelflächen wird jeweils ein Teilstrahl des Laserstrahls in die beiden Messräume gestreut. Der Strahlengang des Laserstrahls kann zwischen den beiden Messräumen angeordnet sein, bis er auf den Spiegelkörper trifft und von dort aus in die beiden Messräume gestreut wird. Hierdurch ist ein kompakter Aufbau der Messeinrichtung ermöglicht. Im Strahlengang der Laserlichtquelle sind jeweils die Messzelle, in den das zu untersuchen Luftvolumen eingeleitet ist und eine optische Empfangseinrichtung zur Erfassung des durch das Luftvolumen beeinflussten Laserstrahls angeordnet. Den beiden Spiegelflächen können zudem Linsenkörper zur Fokussierung bzw. Aufweitung des jeweiligen Teilstrahls auf das zu untersuchende Luftvolumen zugeordnet sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Messeinrichtung zwei Spiegelkörper auf, die Spiegelkörper weisen jeweils eine Spiegelfläche auf, jede Spiegelfläche weist mindestens eine gerade Kante auf und die Spiegelflächen liegen mindestens an einer geraden Kante aneinander an. Die Spiegelkörper können als Spiegelscheiben ausgebildet sein und jeweils mindestens eine gerade Kante aufweisen. An dieser geraden Kante können die Spiegelkörper aneinander anliegend und somit über Eck angeordnet sein, wobei die Spiegelflächen nach außen weisen. Durch die Ausbildung einer Kante ist die Streuung des Laserstrahls in beide Messräume ermöglicht.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die Messräume nebeneinander angeordnet, die Laserlichtquelle mit ihrer Laserlichtaustrittsöffnung ist einem Messraum zugewandt angeordnet, beide Messräume weisen mindestens eine Eintrittsöffnung zum Eintritt des Laserlicht auf, der der Laserlichtquelle zugewandte Messraum weist eine Austrittsöffnung auf und der Strahlengang ist durch beide Messräume geleitet. In dieser Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Messräume nebeneinander angeordnet und das Laserlicht der Laserlichtquelle wird nacheinander durch beide Räume hindurch geleitet. Hierbei weisen beide Messräume Eintrittsöffnungen auf, durch die das Laserlicht in die Messräume eintreten kann. Zudem weist der der Laserlichtquelle zugewandte Messraum zusätzlich eine Austrittsöffnung auf. Durch die Anordnung der Messräume nebeneinander ist somit ein Eintreten des Laserstrahls in den ersten Messraum, ein Austreten des Laserstrahls aus dem ersten Messraum und ein Eintreten des Laserstrahls in den zweiten Messraum ermöglicht. Hierzu sind die Eintrittsöffnungen der beiden Messräume, sowie die Austrittsöffnung des der Laserlichtquelle zugeordneten Messraumes so angeordnet, dass sich die Öffnungsflächen überschneiden. Somit ist es ermöglicht, beide Messräume, also beide zu untersuchenden Luftvolumina mit einer Laserlichtquelle zu untersuchen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung überschneiden sich die Austrittsöffnung des der Laserlichtquelle zugewandten Messraumes und die Eintrittsöffnung des der Laserlichtquelle abgewandten Messraumes zumindest abschnittsweise. Durch die Überschneidung der Eintrittsöffnungen der beiden Messräume sowie der Austrittsöffnungen des der Laserlichtquelle zugeordneten Messraumes ist ein Hindurchtreten des Laserstrahls durch beide Messräume ermöglicht. Somit ist eine Untersuchung zweier Luftvolumina in zwei nebeneinander angeordneten Messräumen ermöglicht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine Empfangseinrichtung in mindestens einem Messraum senkrecht zur Strahlachse des Laserlichtes angeordnet, in mindestens einem Messraum ist mindestens eine Strahlteilungseinrichtung angeordnet und die Strahlteilungseinrichtung ist mindestens einer Empfangseinrichtung zugeordnet. Zur Untersuchung der Luftvolumina in den beiden Messräumen sind die Messräume nebeneinander angeordnet. Der Laserstrahl durchdringt zuerst das erste zu untersuchende Luftvolumen in dem der Laserlichtquelle zugewandten Messraum und dringt dann in den zweiten Messraum ein, in dem das zweite Luftvolumen untersucht wird. Zur Untersuchung tritt der Laserstrahl in den der Laserlichtquelle zugewandten Messraum ein und trifft hier auf einen im Strahlengang angeordneten Strahlteiler. Durch den Strahlteiler wird der Laserstrahl geteilt, wobei ein Teilstrahl der Strahlachse des Eingangsstrahls folgend weiter in den zweiten Messraum geleitet wird und der andere Teilstrahl vorzugsweise in einem rechten Winkel zur Strahlachse des Eingangsstrahls abgelenkt wird. Der abgelenkte Laserstrahl wird durch ein erstes zu untersuchendes Luftvolumen gelenkt. Hinter dem ersten zu untersuchenden Luftvolumen ist im Strahlengang des abgelenkten Laserstrahls eine optische Empfangseinrichtung angeordnet, durch die die Änderung des Laserstrahls durch das Luftvolumen untersucht werden kann. Der nicht abgelenkte Teilstrahl kann in den zweiten Messraum eindringen. Hierbei kann das zweite zu untersuchende Luftvolumen in der Strahlachse des einfallenden Laserstrahls angeordnet sein und entsprechend kann hinter dem Luftvolumen im Strahlengang des Laserstrahls eine optische Empfangseinrichtung angeordnet sein. Weiterhin kann auch vorgesehen sein, dass auch im zweiten Messraum ein Strahlteiler oder auch eine Einrichtung zur Strahlablenkung, beispielsweise ein Spiegel angeordnet sein kann, die den Laserstrahl im rechten Winkel zum einfallenden Laserstrahl ablenkt. In dem abgelenkten Laserstrahl kann entsprechend das zweite zu untersuchende Luftvolumen und eine optische Empfangseinrichtung angeordnet sein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Messräume jeweils mindestens eine Empfangseinrichtung auf und jeder Empfangseinrichtung ist eine Laserlichtabschwächungseinrichtung zugeordnet. Den optischen Empfangseinrichtungen, die beispielsweise als Halbleiterdioden, insbesondere als Fotodioden oder Ähnliches ausgebildet sein können, ist jeweils eine Laserlichtabschwächungseinrichtung zugeordnet. Insbesondere sind die Laserlichtabschwächungseinrichtungen im Strahlengang des jeweiligen Laserstrahls hinter den Empfangseinrichtungen angeordnet. Die Laserlichtabschwächungseinrichtungen können beispielsweise durch Hohlspiegel oder auch durch mehrere Hohlspiegel ausgebildet sein, auf die der Laserstrahl trifft und durch Mehrfachreflexion die Intensität des Laserstrahls so weit abgeschwächt wird, dass der Laserstrahl nicht in den Messraum zurück streut. Hierdurch ist eine Störung der Messung durch unkontrolliert reflektierende oder gestreute Laserstrahlen verhindert. Vorzugsweise ist jeder Empfangseinrichtung eine Laserlichtabschwächungseinrichtung zugeordnet.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung von Feinstaub in einem Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, wobei ein zu untersuchendes Luftvolumen in mindestens einen Messraum eingeleitet wird, wobei ein Luftvolumen mit Laserlicht mindestens einer Laserlichtquelle bestrahlt wird und wobei das Laserlicht nach dem Durchgang durch das zu untersuchende Luftvolumen erfasst wird, bei dem erfindungswesentlich vorgesehen ist, dass Messungen parallel in mindestens zwei Messräumen durchgeführt werden und dass die Messungen mit dem Laserlicht derselben Laserlichtquelle durchgeführt werden. Zur parallelen Messung von zwei Luftvolumina, beispielsweise eines Umgebungsluftvolumens und eines Innenraumluftvolumens des Kraftfahrzeuges, können die Luftvolumina in die entsprechenden Messräume eingeleitet werden. Durch die Zuordnung der Laserlichtquelle zu beiden Messräumen und durch die Anordnung einer Erfassungseinrichtung, insbesondere einer optischen Erfassungseinrichtung, in jedem Messraum, können Luftvolumina gleichzeitig untersucht werden. Hierzu wird das Licht der Laserlichtquelle beispielsweise durch beide Räume durchgeleitet oder durch mindestens einen Spiegelkörper so gestreut, dass das Laserlicht in beide Messräume eintritt. Die in die Messräume eingeleiteten Luftvolumina werden durch das Laserlicht bestrahlt und das Laserlicht wird nach dem Durchgang durch die Luftvolumina durch eine optische Empfangseinrichtung erfasst. Die Messergebnisse der optischen Empfangseinrichtungen werden ausgewertet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen:
- 1: eine Messeinrichtung mit zwei nebeneinander angeordneten Messräumen;
- 2: eine Messeinrichtung mit zwei Strahlteilern; und
- 3: eine Messeinrichtung mit zwei Messräumen und einem Spiegelkörper.
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In 1 ist eine Messeinrichtung 1 mit einer Laserlichtquelle 2 und Messräumen 3,4 dargestellt. Die Laserlichtquelle 2 ist dem Messraum 3 zugewandt angeordnet. Der Messraum 3 weist eine Eintrittsöffnung 5 für den Eintritt des Laserlichts sowie eine Austrittsöffnung 6 für den Austritt des Laserlichts auf. Der Messraum 4, der der Laserlichtquelle 2 abgewandt angeordnet ist, weist eine Eintrittsöffnung 7 auf, durch die der Laserstrahl, der den Messraum 3 passiert hat, in den Messraum 4 eintreten kann. An den Eintrittsöffnungen 5 und 7 sind Linsenkörper 8, 9 zur Fokussierung bzw. Aufweitung des Laserstrahls auf die zu untersuchenden Luftvolumina 10, 11 angeordnet. Die Messräume 3, 4 weisen Empfangseinrichtungen 12, 13 zur Auswertung des durch die Luftvolumina 10, 11 geleiteten Laserstrahls auf. Den Empfangseinrichtungen 12, 13 sind Laserlichtabschwächungseinrichtungen 14, 15 zugeordnet, die beispielsweise durch Hohlspiegel ausgebildet sein können und dazu dienen, dass Laserstrahlen nach dem Auftreffen auf die Empfangseinrichtungen 12, 13 nicht in den entsprechenden Messraum 3, 4 zurück reflektiert werden. Der Laserlichtquelle 2 ist eine Kalibrierungseinrichtung 16 zugeordnet. Durch die Anordnung der Messräume 3, 4 nebeneinander und durch Überschneidung der Eintrittsöffnungen 5, 7 und der Austrittsöffnung 6 ist ein Eintreten des Laserstrahls von der Laserlichtquelle 2 in die Messräume 3, 4 ermöglicht. Der Laserstrahl tritt durch den Linsenkörper 8 an der Eintrittsöffnung 5 in den Messraum 3 ein und durchläuft eine Strahlteilungseinrichtung 17, durch die der Laserstrahl in zwei Teilstrahlen geteilt wird. Ein Teilstrahl verläuft entlang der Strahlachse des eintretenden Laserstrahls weiter durch die Eintrittsöffnung 7 in den Messraum 4. Ein Teilstrahl wird im rechten Winkel abgelenkt und durchläuft das Luftvolumen 10, bis er auf die Empfangseinrichtung 12 trifft. Der nicht abgelenkte Laserstrahl durchläuft das Luftvolumen 11 und wird auf eine Empfangseinrichtung 13 gelenkt. Durch diese Anordnung ist die parallele Untersuchung von zwei Luftvolumina 10, 11 mit einer Laserlichtquelle 2 ermöglicht.
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In 2 ist eine Messeinrichtung gemäß 1 mit zwei Empfangseinrichtungen 14, 15, die im rechten Winkel zum Strahlengang des einfallenden Laserlicht der Laserlichtquelle 2 angeordnet sind, dargestellt. Durch die Streuung in den Luftvolumina 10, 11 in den Messräumen 3, 4 kann das Laserlicht von die Empfangseinrichtungen 14, 15 erfasst werden.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Messräume 3, 4 sind nebeneinander angeordnet, wobei der Strahlengang des Laserstrahls der Laserlichtquelle 2 zumindest abschnittsweise zwischen den Messräumen 3, 4 verläuft. Zwischen den Messräumen 3, 4 sind Spiegelkörper 18, 19 mit Spiegelflächen 20, 21 angeordnet. Die Spiegelflächen 20, 21 spannen einen rechten Winkel auf. Der Laserstrahl der Laserlichtquelle 2 ist auf die Kante 22 fokussiert, die von den Spiegelflächen 20, 21 ausgebildet ist. Durch die Anordnung der Spiegelflächen 20, 21 wird der Laserstrahl in die Messräume 3, 4 eingeleitet. In den Messräumen 3, 4 sind in dem Strahlengang des Laserstrahls die zu untersuchenden Luftvolumina 10, 11 sowie optische Empfangseinrichtungen 12, 13 und Laserlichtabschwächungseinrichtungen 14, 15 angeordnet. Zudem ist der Laserlichtquelle 2 eine Kalibrierungseinrichtung 16 zugeordnet. Durch die Anordnung der Spiegelkörper 18, 19 und durch die Anordnung der Messräume 3, 4 nebeneinander ist eine parallele Untersuchung der Luftvolumina 10, 11 mit nur einer Laserlichtquelle 2 ermöglicht. Neben der Fokussierung des Laserstrahls auf die Kante 22, die zwischen den Spiegelflächen 20, 21 ausgebildet ist, kann der Laserstrahl so aufgeweitet sein, dass die Spiegelflächen 20, 21 vorzugsweise vollständig ausgeleuchtet werden und somit größere Luftvolumen 10, 11 untersucht werden können.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 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.
