DE102017001438B4

DE102017001438B4 - Partikelsensor

Info

Publication number: DE102017001438B4
Application number: DE102017001438.8A
Authority: DE
Inventors: Ralf Mönkemöller
Original assignee: Paragon AG
Current assignee: Paragon AG
Priority date: 2017-02-15
Filing date: 2017-02-15
Publication date: 2023-04-27
Anticipated expiration: 2037-02-16
Also published as: US10488313B2; CN108426807A; DE102017001438A1; US20180231449A1

Abstract

Partikelsensor, mittels dem eine Partikelmassenkonzentration in einem Aerosolvolumen erfasst wird und der als Aerosolphotometer (2) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsensor (1) des Weiteren zur Erkennung einzelner Partikel bei niedrigen, z.B. bis 1000 Partikel/cm3, Partikelkonzentrationen ein Einzelpartikel-Zählphotometer (10) aufweist, wobei in einem gültigen Messbereich des Einzelpartikel-Zählphotometers (10) ein Messwert desselben mit dem des Aerosolphotometers (2) verglichen wird und eine Veränderung des Verhältnisses zwischen dem Messwert des Einzelpartikel-Zählphotometers (10) und dem Messwert des Aerosolphotometers (2) in einen Verschmutzungsgrad des Partikelsensors (1) umgerechnet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Partikelsensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2.
Unter einem Aerosol versteht man in Luft bzw. einem Trägergas suspendierte Teilchen oder Partikel in flüssiger oder fester Phase im luftgetragenen Zustand. Das Aerosol wird als disperses System betrachtet, das aus festen oder flüssigen Partikeln gebildet wird, die in Luft bzw. einem Trägergas fein verteilt sind.
Aerosole werden durch einige elementare Merkmale gekennzeichnet. Ein einzelnes individuelles Aerosolteilchen wird durch drei Merkmale, nämlich Form, Größe und Substanz, beschrieben. Das Aerosol als Ansammlung vieler einzelner Teilchen bzw. als Partikelkollektiv wird durch weitere Eigenschaften, nämlich Konzentration und Partikelgrößenverteilung, ergänzend beschrieben.
Optische Partikelsensoren arbeiten häufig mit elektromagnetischen Strahlungen in einem Wellenlängenbereich von 600nm bis 780nm.
Der Wellenlängenbereich von 380nm bis 780nm wird auch als Licht bezeichnet, da er im Wahrnehmungsbereich des menschlichen Auges liegt.
Im Folgenden wird daher statt des Begriffs der elektromagnetischen Strahlung auch der Begriff des Lichts verwendet, da dieser Begriff den für optische Partikelsensoren üblichen Bereich der elektromagnetischen Wellenlängen abdeckt.
Häufig wird eine Wellenlänge von ca. 655nm verwendet, da es sehr preiswerte Laserdioden mit dieser Wellenlänge als Quelle für das benötigte Licht gibt.
Zur Messung der Partikelmassenkonzentrationen werden Aerosolphotometer (APM) verwendet, die in der technischen Literatur auch „Ligth-Scattering Nephelometer“ genannt werden.
Aerosolphotometer messen die Konzentration in einem Partikelkollektiv. Das Messergebnis ist die Partikelmassenkonzentration. Diese wird häufig in mg/m³ angegeben.
Aufgrund ihrer Funktionsweise können Aerosolphotometer bei Partikelmassenkonzentrationen bis zu mehreren 100 mg/m³ eingesetzt werden.
Als monochromatische Lichtquelle für Aerosolphotometer kommen entweder Laserdioden oder lichtemittierende Dioden (LED) zum Einsatz. Bei preiswerten Aerosolphotometern werden LED verwendet. Im Prinzip fallen z.B. optische Rauchmelder in die Gruppe der Aerosolphotometer.
Bei Aerosolphotometern muss regelmäßig ein Nullpunktabgleich durchgeführt werden, da Verschmutzung und Umwelteinflüsse zu einer Drift des Nullpunktes führen. Hochwertige Aerosolphotometer sind mit Mitteln versehen, um diesen Nullpunktabgleich automatisch durchführen zu können. Hierzu wird das Aerosol zuerst durch einen Filter oder über einen Abscheider geführt, damit sich in dem Messvolumen keine detektierbaren Partikel mehr befinden. Der dann aufgenommene „Korrekturwert“ wird abgespeichert und bei darauf folgenden Aerosolmessungen von den Photometermesswerten abgezogen. Die Differenz wird dann als Photometermesswert ausgegeben.
Bei Umweltmessungen in Großstädten sind Aerosolphotometer die geeigneten Messgeräte. In stark belasteten Großstädten werden teilweise Partikelmassenkonzentrationen von über 0,4 mg/m³ gemessen.
Eine andere Klasse optischer Partikelsensoren sind die optischen Einzelpartikel-Zählphotometer (Optical particle counter, OPC). Auch diese Messgeräte nutzen den Effekt der Lichtstreuung an Aerosolen. Im Gegensatz zu den Aerosolphotometern wird jedoch kein Partikelkollektiv gemessen, sondern einzelne Partikel. Dafür sind die optischen und elektrischen Anforderungen deutlich höher als bei den Aerosolphotometern. Im Aerosolphotometer wird das von tausenden Partikeln gestreute Licht erfasst. Da in einem Einzelpartikel-Zählphotometer nur noch das von einem einzelnen Partikel gestreute Licht erfasst wird, ist eine deutlich höhere Empfindlichkeit und/oder Lichtintensität notwendig.
Das optische Messvolumen, das in Aerosolphotometern durchaus einige 100 bis 1000 mm³ betragen kann, muss bei Einzelpartikel-Zählphotometern deutlich verkleinert werden. Wenn mit einem Einzelpartikel-Zählphotometer z.B. 1000 Partikel pro cm³ fehlerfrei gemessen werden sollen, so darf das optische Messvolumen nur ca. 0,5 mm³ groß sein. So ist sichergestellt, dass sich bis zu einer Partikelanzahlkonzentration von 1000 Partikeln pro cm³ immer nur ein Partikel im optischen Messvolumen befindet. Ca. 1000 Partikel pro cm³ hat man z.B. in Shanghai bei einer PM2.5-Luftbelastung von 120 µg/m³.
Bei höheren Partikelanzahlkonzentrationen treten dann sog. Koinzidenz-Fehler auf.
Es befinden sich dann mehrere Partikel gleichzeitig im optischen Messvolumen. Diese werden dann als einzelner Partikel erfasst und in eine falsche Größenklasse eingestuft. Dadurch ergeben sich Fehler im Messergebnis.
Diese Koinzidenz-Fehler bewirken, dass in dem vorgenannten Fall schon ab einer relativ geringen Belastung von 120 µg/m³ dieses Einzelpartikel-Zählphotometer nicht mehr eingesetzt werden kann.
Einzelpartikel-Zählphotometer haben in ihrem nutzbaren Konzentrationsbereich jedoch einige technische Vorteile gegenüber Aerosolphotometern.
Einzelpartikel-Zählphotometer haben keine Nullpunktdrift, da eine Signalform bewertet wird und nicht ein Signalwert.
Neben der Partikelanzahl kann auch noch die Partikelgrößenverteilung (Particle Size Distribution, PSD) anhand der Signalformen erfasst werden.
Einzelpartikel-Zählphotometer berechnen die Partikelmassenkonzentration in einem Aerosol, in dem sie die erfassten Partikelgrößen in Größenklassen (Bins) einteilen und für jede Größenklasse bzw. für jeden Ein die Anzahlhäufigkeit erfassen. Jeder Größenklasse bzw. jedem Ein ist ein spezifischer Gewichtungsfaktor zugeordnet, der mit der Anzahl Häufigkeit multipliziert die Partikelmasse für diese Größenklasse bzw. für diesen Ein ergibt.
Werden die Partikelmassen aller relevanten Größenklassen bzw. Bins addiert, so ergibt sich die Gesamtmassenkonzentration.
Um PM2.5 zu berechnen, werden die Partikelmassen aller Grö-ßenklassen bzw. Bins bis zu einer Partikelgröße von 2,5µm Durchmesser aufaddiert.
Um PM10 zu berechnen, werden die Partikelmassen aller Größenklassen bzw. Bins bis zu einer Partikelgröße von 10µm Durchmesser aufaddiert.
Einzelpartikel-Zählphotometer reagieren wesentlich robuster auf Veränderungen der Partikelgrößenverteilung im Aerosol. Wenn sich die Partikelgrößenverteilung im Aerosol zu großen Partikeln hin verändert, so erfolgt mit Aerosolphotometern eine Unterabschätzung der Masse, da die Masse eines Partikels mit dem Quadrat der Fläche wächst. Das gestreute Licht ist jedoch linear zur Oberfläche.
Bei optischen Sensoren und Partikelsensoren besteht immer die Gefahr der Verschmutzung. Aerosolablagerungen auf optisch wirksamen Flächen führen zu Veränderungen der Eigenschaften derselben. Bei optischen Partikelsensoren gehören nicht nur die Flächen der optischen Bauteile dazu, sondern auch die Flächen von Messkammer und Strahlfalle. Prinzip bedingt können sich Staubpartikel oder andere Verschmutzungen auf den vorstehend erwähnten optisch relevanten Flächen ablagern und dadurch das Messergebnis optischer Partikelsensoren verfälschen.
Es sind verschiedene Methoden, Verfahren und Vorgehensweisen bekannt, um diese Verschmutzungsgefahr zu reduzieren.
Zum Beispiel wird das Aerosol vor dem den optischen Partikelsensor aufweisenden Partikelmessgerät durch ein Grob-Filter oder über einen Grob-Abscheider geleitet. Dies bedingt aber einen regelmäßigen Wechsel oder eine regelmäßige Reinigung dieser Grob-Filter oder Grob-Abscheider.
Um die Verschmutzung der Optiken zu verhindern bzw. zu reduzieren, wird bei einigen Partikelmessgeräten ein zusätzlicher, gefilterter Luftstrom als Mantelstrom erzeugt, der die Optiken vom mit Partikeln belasteten Luftstrom isoliert. Dies ist eine technisch-konstruktiv aufwendige Vorgehensweise, die in der Regel nur in entsprechend hochwertigen Partikelmessgeräten zum Einsatz gelangt. Auch hier ist ein regelmäßiger Wechsel der Filter für den Mantelstrom erforderlich. Zudem lassen sich Verschmutzungen durch Ausgasungen, z.B. von Weichmachern aus Kunststoffkomponenten, die im Wesentlichen in der Zeit der Nichtbenutzung des Partikelmessgeräts entstehen, nicht verhindern.
Außerdem gibt es die Möglichkeit, die optischen Bauteile und Komponenten mit schmutzabweisenden Nanostrukturen zu überziehen. Damit wird die Verschmutzung zwar deutlich reduziert, aber nicht grundsätzlich verhindert.
Im Automobilbereich werden von Partikelsensoren Betriebszeiten von bis zu 15000 Stunden erwartet. Die Wartung dieser Partikelsensoren muss dabei auf ein Minimum beschränkt sein. Typische Intervalle sind z.B. alle zwei Jahre oder alle 30000 km.
Gerade bei Partikelsensoren ist jedoch ein festes Serviceintervall sehr schwer zu definieren. Hier spielen die tatsächlichen Betriebsbedingungen des Partikelsensors eine große Rolle. Wird das Kraftfahrzeug z.B. in ungewöhnlich stark belasteten Gebieten, z.B. in Peking, eingesetzt, so ist damit zu rechnen, dass eine Wartung bzw. ein Service des Partikelsensors deutlich häufiger erfolgen muss als in weniger belasteten anderen Gebieten. Auch die Feuchte des das zu messende Aerosol tragenden Mediums im Zusammenhang mit der Partikelbelastung hat einen signifikanten Einfluss auf die Verschmutzung optischer Partikelsensoren. Somit besteht stets die Schwierigkeit, einen Service bzw. eine Wartung zum passenden Zeitpunkt durchzuführen. Zudem besteht aufgrund der Temperaturdifferenzen in einem Automobil zwischen der Temperatur in einer Messkammer und der Temperatur des angesaugten Luftstroms die Möglichkeit, dass optisch relevante Flächen betauen. Dieser Sonderfall einer Verschmutzung sollte erkennbar sein, da dann die gewonnenen Messwerte nicht aussagekräftig sind.
Aus der EP 2 198 265 B1 sind Partikelsensoren unterschiedlicher Bauart bekannt, wobei zu diesen bekannten Bauarten Einzelpartikel-Zählphotometer genauso wie Aerosolphotometer gehören.
Aus der US 2014/0013823 A1 sind unterschiedliche Bauarten von Partikelsensoren bekannt, bei denen ein Messvolumen bzw. eine Messkammer mit unterschiedlich gerichteten Fluidströmen beaufschlagt wird, um Verschmutzungen und damit irreguläre Messergebnisse zu vermeiden.
In „SLOANE, C.S. [et al.]: Measurements, Aerosol Science and Technology, 1991, S. 289 bis 301" wird ein Verfahren beschrieben, mittels dem die exakte Erfassung von Partikelgrö-ßen einzelner Partikel realisiert werden soll. Ein mittels eines Aerosolphotometers erfasster Refraktionsindex wird hierbei erfasst, um bei dem Verfahren die Genauigkeit der Erfassung der Partikelgrößen zu erhöhen. Hierdurch wird eine technische Lehre gegeben, die Genauigkeit bei der Erfassung einzelner Partikelgrößen zu erhöhen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Partikelsensor zu schaffen, bei dem der Grad der Verschmutzung und der Betauung für Diagnosezwecke ohne weiteres erkennbar ist, wobei aus dem Grad der Verschmutzung Parameter für die rechnerische Kompensation der durch die Verschmutzung verursachten Fehler ableitbar sein sollen. Auch ein Nullpunktabgleich soll automatisch erfolgen können.
Bei der Lösung dieser Aufgabe sind folgende Aspekte und Erfahrungen zu berücksichtigen:

Langzeituntersuchungen mit Partikelsensoren haben ein interessantes Verschmutzungsverhalten gezeigt. Aerosolablagerungen finden auf den optischen Komponenten, aber auch auf allen anderen optisch relevanten Flächen im Partikelsensor statt,
die mit dem Aerosol in Kontakt kommen. Dabei werden zwei fest miteinander verknüpfte Effekte festgestellt. Der Grad der Verknüpfung ist konstruktionsbedingt und für alle Partikelsensoren einer Bauart reproduzierbar.

Der erste Effekt besteht darin, dass Aerosolablagerungen, z.B. Staub, aber auch Wasser, auf optischen Austrittsflächen im Wesentlichen zu Streuungen der elektromagnetischen Welle und nur zu einem kleinen Teil zu einer Absorption der elektromagnetischen Welle führen. Bei Betauung wirkt sich der geänderte Brechungsindex an der Oberfläche der betauten Optik aus. Diesen Effekt nutzen z.B. die meisten der heute in Fahrzeugen gebräuchlichen Regensensoren. Sowohl der absorbierte als auch der gestreute Anteil des Lichts reduzieren die Strahlintensität im optischen Messvolumen. Damit ist die Intensität des von einem Partikel in einen Detektor bzw. Reflektor des Partikelmessgeräts gestreuten Lichts reduziert. Es werden bei gegebenen Partikeln geringere Intensitäten gemessen und die Partikel daher in kleinere Partikelklassen eingeordnet. Hierdurch ergibt sich eine Reduzierung der ausgegebenen Partikelmassenkonzentration.
Im initialen unverschmutzten Betriebsfall ist fast die gesamte Energie der elektromagnetischen Welle mittels einer fokussierenden Optik im Messvolumen konzentriert. Am Ende der Messkammer wird mittels seiner Lichtfalle die Reflektion des Lichtstrahls weitgehend verhindert. Bei einem gut ausgelegten optischen System ist der gesamte Streulichtanteil kleiner als 1%. Davon wiederum wird nur ein Anteil von ca. 1% über die Oberflächen der Messkammer direkt auf die Photodiode gestreut. Bei einem gut ausgelegten optischen System erreicht also maximal 0,01% der gesamten Lichtenergie den Photodetektor in Form von Streulicht.
Partikel auf der Optik, die den Streulichtanteil um 1% erhöhen, verdoppeln also das Streulicht, das auf den Photodetektor fällt. Gleichzeitig ist jedoch die Intensität des Lichtes im Messvolumen nur um 1% reduziert.
Der zweite Effekt besteht darin, dass die Oberflächen der Messkammer im Partikelsensor in der Regel so gefärbt sind, dass eventuelles Streulicht möglichst absorbiert wird. In jedem Fall ist der refraktive Index der Oberflächen deutlich kleiner als der refraktive Index des zu messenden Aerosols.
Ablagerungen des Aerosols auf den Oberflächen führen somit dazu, dass das Streulicht einer Lichtquelle bzw. eines Lasers des Partikelmessgeräts verstärkt von den Oberflächen reflektiert wird und sich somit der Teil des Streulichts, der auf den Detektor bzw. den Reflektor fällt, erhöht.
Bei einem Aerosolphotometer (APM) führt dieser Effekt dazu, dass das an den Oberflächen reflektierte Signal den Messwert des Photodetektors erhöht und das Partikelmessgerät in der Folge einen zu hohen Messwert ausgibt.
Als einziges Verfahren zur Kompensation dieses Effekts ist der Nullpunktabgleich bekannt. Hierfür wird das Aerosol vor dem Partikelmessgerät über einen Abscheider, z.B. über ein Hepa-Filter, geführt. Somit befinden sich dann in der Messkammer keine messbaren Partikel. Der sich dann einstellende Messwert wird gespeichert und in der Folge von allen Messwerten subtrahiert.
Hersteller von Aerosolphotometern (APM) empfehlen, diesen Nullpunktabgleich regelmäßig durchzuführen, um die Drifteffekte zu kompensieren.
Durch den erhöhten Streulichteinfall in den Photodetektor ergibt sich bei einem Einzelpartikel-Zählphotometer (Optical Particle Counter, OPC) keine Beeinträchtigung des Messergebnisses für die Partikelmassenkonzentration.
Bei einem Aerosolphotometer (APM) führt das zusätzliche Streulicht jedoch zu einer teils deutlichen Überabschätzung der Partikelmassenkonzentration.
Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe unter Berücksichtigung der vorstehenden Aspekte, Erfahrungen und Effekte wird vorgeschlagen, dass der Partikelsensor neben den Merkmalen des Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2 auch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 bzw. 2 aufweist.
Wenn der Partikelsensor gemäß Patentanspruch 1 als Aerosolphotometer (APM) ausgebildet ist, muss er um dieses Mittel zur Erkennung einzelner Partikel ergänzt werden. Entsprechend ist dann das Aerosolphotometer (APM) mit einem Einzelpartikel-Zählphotometer (Optical Particle Counter, OPC) ausgerüstet, wobei in einem gültigen Messbereich des Einzelpartikel-Zählphotometers (OPC) ein Messwert desselben mit dem des Aerosolphotometers (APM) vergleichbar ist und eine Veränderung des Verhältnisses zwischen dem Messwert des Einzelpartikel-Zählphotometers (OPC) und dem Messwert des Aerosolphotometers (APM) in einen Verschmutzungsgrad des Partikelsensors umrechenbar ist. Diese Ausgestaltung des als Aerosolphotometer ausgebildeten Partikelsensors bedeutet zwar einen zusätzlichen technisch-konstruktiven Aufwand, bringt im Langzeitbetrieb des Partikelsensors jedoch insgesamt deutliche wirtschaftliche Vorteile aufgrund einer erheblichen Reduzierung des Wartungsaufwandes und eine höhere Verfügbarkeit des Partikelsensors. Innerhalb des gültigen Messbereichs des Einzelpartikel-Zählphotometers (OPC) entspricht ein Messwert des Einzelpartikel-Zählphotometers (OPC) immer genau einem Messwert des Aerosolphotometers (APM). Diese Messwerte sind durch die Kalibrierung festgelegt. Veränderungen im Partikelmessgerät bzw. in dem optischen System desselben, z.B. durch Verschmutzung, führen dann unweigerlich zu einer Veränderung des Verhältnisses zwischen dem Messwert des Einzelpartikel-Zählphotometers (OPC) einerseits und des Aerosolphotometers (APM) andererseits. Die technische Lösung macht sich in diesem Falle die Eigenschaften der optischen Strecke zunutze.
Das Streulicht wird von dem Photodetektor des Partikelmessgeräts als konstanter Signalanteil aufgenommen.
Wenn der Partikelsensor gemäß Patentanspruch 2 als Einzelpartikel-Zählphotometer (OPC) ausgebildet ist, weist er zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ein Mittel zur Erfassung des statischen bzw. konstanten Signalanteils auf. Aufgrund seines Messprinzips hat ein als Einzelpartikel-Zählphotometer (OPC) ausgebildeter Partikelsensor bauartbedingt stets die Voraussetzung, um dieses Mittel vorzusehen.
Der konstante Signalanteil des Messsignals wird bei einem Einzelpartikel-Zählphotometer (OPC) normalerweise aus dem Messsignal herausgefiltert, da dieser konstante Signalanteil für die Einzel-Partikelmessung keine relevanten Informationen enthält. Daher werden bei Einzelpartikel-Zählphotometern (OPC) an Wechselspannung gekoppelte Verstärkerstufen verwendet. Derartige Verstärkerstufen sind zudem mit einem geringeren wirtschaftlichen Aufwand herstellbar und arbeiten darüber hinaus über einen vergleichsweise weiten Temperaturbereich, da auch alle Eingangsoffsetspannungen und Spannungsdrifts der elektronischen Komponenten durch die WechselspannungsKopplung herausgefiltert werden.
Im Falle der Ausgestaltung des Partikelsensors als Einzelpartikel-Zählphotometer macht sich die Erfindung den Effekt zunutze, dass sich der Streulichtanteil und damit der konstante Signalanteil im Messsignal durch eine Verschmutzung der optisch wirksamen Flächen des Partikelsensors verändert.
Gemäß Patentanspruch 2 ist das Mittel zur Erfassung des statischen Signalanteils ein gleichspannungsgekoppelter Verstärker, dessen Eingang mit einem Photodetektor des Einzelpartikel-Zählphotometers verbunden und dessen Ausgang mittels eines Analog/Digital-Wandlers abtast- und programmtechnisch bearbeitbar ist.
Da die im Automobilbereich eingesetzten Partikelsensoren in einem weiten Temperaturbereich, z.B. von -40 Grad C bis 85 Grad C, arbeiten müssen, ist es besonders vorteilhaft, einen gleichspannungsgekoppelten Verstärker mit einer sehr kleinen Temperaturdrift zu verwenden, da die durch die Verschmutzung induzierten Änderungen des Streulichts und damit des statischen bzw. konstanten Signals des Photodetektors sehr klein sein können.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Partikelsensors zur Bestimmung einer Partikelmassenkonzentration in einem Aerosol;
2 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelsensors;
3 eine grafische Darstellung einer Kennlinie Einzelpartikel-Zählphotometer (OPC) / Aerosolphotometer (APM) bei unterschiedlichen Verschmutzungsgraden;
4 eine grafische Darstellung des Signalverlaufs am Photodetektor eines Einzelpartikel-Zählphotometers (OPC) bei unterschiedlichen Verschmutzungsgraden; und
5 eine grafische Darstellung des Signalverlaufs am Photodetektor eines Aerosolphotometers (APM) bei unterschiedlichen Verschmutzungsgraden.

Zu einer in 1 in einer Prinzipdarstellung gezeigten ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Partikelsensors 1 gehört ein Aerosolphotometer (APM) 2, das der Bestimmung der Partikelmassenkonzentration in einem Aerosol dient.
Das Aerosolphotometer 2 hat eine monochromatische Lichtquelle 3, die als Laser-Diode oder als lichtemittierende Diode (LED) ausgebildet sein kann. Die von der monochromatischen Lichtquelle 3 des Aerosolphotometers 2 abgestrahlte Lichtstrahlung wird in einer optischen Linse 4 gebündelt. Der die optische Linse 4 verlassende Lichtstrahl quert eine Gasströmung 5, die das zu messende Aerosol mit sich führt. Von in der Gasströmung 5 enthaltenen Partikeln des Aerosols wird Licht in Richtung auf eine weitere optische Linse 6 reflektiert. Durch die beiden optischen Linsen 4, 6 ergibt sich das in 1 prinzipiell dargestellte Messvolumen 8 bzw. die entsprechende Messkammer 8. Die in dem Messvolumen bzw. in der Messkammer 8 aufgrund der dort vorhandenen Partikel des Aerosols in Richtung auf den Photodetektor 7 gerichtete und mittels der optischen Linse 6 gebündelte Lichtstrahlung wird am Photodetektor 7 erfasst, wobei ein der erfassten Lichtstrahlung entsprechender Photometermesswert an eine Auswerteeinheit 9 des optischen Partikelsensors 1 weitergeleitet wird.
Der vom Photodetektor 7 des Aerosolphotometers 2 zur Auswerteeinheit 9 weitergeleitete Photometermesswert entspricht der im Messvolumen bzw. in der Messkammer 8 vorhandenen bzw. erfassten Partikelbelastung.
Bei dem Aerosolphotometer (APM) 2 der anhand von 1 geschilderten Ausführung liegt ein großer Vorteil darin, dass der in der Auswerteeinheit 9 erfasste Messwert unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit der das zu messende Aerosol führenden Gasströmung 5 ist. Im Falle des Aerosolphotometers (APM) 2 wird das Messvolumen durch das optische Messvolumen bestimmt.
Des Weiteren ist der in 1 anhand der ersten Ausführungsform gezeigte optische Partikelsensor 1 mit einem Einzelpartikel-Zählphotometer 10 ausgestaltet. Das Einzelpartikel-Zählphotometer 10 des in 1 gezeigten optischen Partikelsensors 1 hat ebenfalls eine monochromatische Lichtquelle 11, die als Laser-Diode oder lichtemittierende Diode (LED) ausgebildet sein kann. Die monochromatische Lichtquelle 11 strahlt Lichtstrahlung ab, die in einer optischen Linse 12 gebündelt wird. Der in der optischen Linse 12 gebündelte Lichtstrahl quert eine Gasströmung 13, die das zu messende Aerosol trägt. Ein Messvolumen bzw. eine Messkammer 14 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 ist erheblich kleiner als das Messvolumen bzw. die Messkammer 8 des Aerosolphotometers 2. Dies wird bei dem in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des Einzelpartikel-Zählphotometers dadurch erreicht, dass das von der monochromatischen Lichtquelle 11 abgestrahlte Licht mittels der optischen Linse 12 viel stärker fokussiert wird als dies durch die optische Linse 4 des Aerosolphotometers 2 realisiert wird. Das Messvolumen bzw. die Messkammer 14 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 wird unter Berücksichtigung der erwartbaren Werte zu messender Aerosole so bemessen, dass in ihm lediglich ein einziger Partikel des Aerosols vorhanden ist. Die von dem im Messvolumen bzw. in der Messkammer 14 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 reflektierte Lichtstrahlung wird durch eine optische Linse 15 auf einen im Strahlungsweg hinter der optischen Linse 15 befindlichen Photodetektor 16 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 gerichtet. Für jeden einzelnen Partikel des Aerosols, der mit der Gasströmung 13 das Messvolumen bzw. die Messkammer 14 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 durchströmt, wird somit am Photodetektor 16 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 ein einem einzelnen Partikel entsprechender Einzelmesswert an die Auswerteeinheit 9 des optischen Partikelsensors 1 weitergeleitet. Jeder Einzelmesswert entspricht dem von einem einzigen Partikel des zu messenden Aerosols reflektierten und durch die optische Linse 15 zum Photodetektor 16 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 gerichteten Licht.
Im Gegensatz zu dem vorstehend geschilderten Aerosolphotometer 2 erfasst das Einzelpartikel-Zählphotometer 10 einzelne Teilchen bzw. Partikel. Solche Einzelpartikel-Zählphotometer 10 werden eingesetzt, um vergleichsweise niedrige Partikelkonzentrationen, z.B. in Innenräumen, zu messen. Im Rahmen ihres Anwendungsbereichs, also bei vergleichsweise niedrigen bis mittleren Partikelanzahlkonzentrationen, die üblicherweise zwischen 1000 und 20000 Partikel/cm³ liegen können, sind mittels Einzelpartikel-Zählphotometern 10 qualitativ hochwertige Informationen hinsichtlich der Partikelanzahl und der Partikelgrößenverteilung im Aerosol möglich.
Innerhalb des für das Einzelpartikel-Zählphotometer 10 vorgesehenen bzw. gültigen Messbereichs entspricht ein Messsignal des Einzelpartikel-Zählphotometers (OPC) 10 immer genau einem Messsignal des Aerosolphotometers (APM) 2. Diese Messsignalwerte liegen aufgrund der jeweils vorgenommenen Kalibrierung fest.
Veränderungen in dem optischen Partikelsensor 1, z.B. aufgrund von Verschmutzung mittels abgelagerter Partikel, führen stets zu einer Veränderung des Verhältnisses zwischen dem Messsignalwert des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 einerseits und des Aerosolphotometers 2 andererseits. Diese Änderung des Verhältnisses zwischen den beiden Messsignalwerten lässt Rückschlüsse auf den Verschmutzungsgrad des optischen Partikelsensors 1 zu, wie dies am besten aus 3 hervorgeht, in der die Kennlinien des Aerosolphotometers (APM) 2 bei keine Verschmutzung aufweisendem optischen Partikelsensor 1, bei einem eine leichte Verschmutzung aufweisenden optischen Partikelsensor 1 und bei einem eine starke Verschmutzung aufweisenden optischen Partikelsensor 1 dargestellt ist.
Im Falle der vorstehend geschilderten Ausführungsform des optischen Partikelsensors 1 werden die Eigenschaften der optischen Strecke genutzt.
Streulicht, welches auf Verschmutzungen des optischen Partikelsensors 1 zurückgeht, wird von den Photodetektoren 7, 16 als konstanter Messsignalanteil aufgenommen.
Die Auswerteeinheit 9 des anhand von 1 vorstehend erläuterten optischen Partikelsensors 1 hat eine Funktionseinheit 17, mittels der aus dem bearbeiteten Messsignal des Aerosolphotometers 2 und dem bearbeiteten Messsignal des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 ein Verschmutzungsgrad des optischen Partikelsensors 1 erfassbar und bei der Erstellung des Ausgabewerts der Auswerteeinheit 9 berücksichtigbar ist.
Im Falle der in 2 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Partikelsensors 1 weist dieser lediglich das Einzelpartikel-Zählphotometer 10 mit der monochromatischen Lichtquelle 11, der optischen Linse 12, dem Messvolumen bzw. der Messkammer 14, der optischen Linse 15 und dem Photodetektor 16 auf, wobei der optische Partikelsensor 1 von der Gasströmung 13 durchströmt wird.
Üblicherweise wird der konstante Anteil des Messsignals des Einzelpartikel-Zählphotometers (OPC) 10 aus dem Messsignal herausgefiltert, da er für die Einzelpartikelmessung keine relevanten Informationen enthält. Daher werden bei Einzelpartikel-Zählphotometern 10 wechselspannungsgekoppelte Verstärkerstufen verwendet, die in 2 nicht dargestellt sind. Derartige wechselspannungsgekoppelte Verstärkerstufen sind vergleichsweise kostengünstig herstellbar und arbeiten über einen weiten Temperaturbereich, da auch alle Eingangsoffsetspannungen und Spannungsdrifts der elektronischen Komponenten durch die Wechselspannungskopplung herausgefiltert werden.
Im Falle der in 2 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Partikelsensors 1 wird der Effekt genutzt, dass sich der Streulichtanteil und damit der konstante Anteil im Messsignal, mit unterschiedlichem Verschmutzungsgrad des optischen Partikelsensors 1 bzw. der optisch wirksamen Flächen desselben verändert.
Daher ist bei dem Einzelpartikel-Zählphotometer 10 des in 2 gezeigten optischen Partikelsensors 1 vorgesehen, dass der statische Signalanteil des Messsignals des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 ermittelt wird. In der dargestellten Ausführungsform dient hierzu eine gleichspannungsgekoppelter Verstärker 18, dessen Eingangsseite mit dem Photodetektor 16 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 verbunden ist und dessen Ausgangsseite über einen Analog/Digital-Wandler 19 an die Auswerteeinheit 9 des optischen Partikelsensors 1 angeschlossen ist. Entsprechend wird die Ausgangsseite des gleichspannungsgekoppelten Verstärkers 18 mittels des A/D-Wandlers 19 abgetastet und darauf folgend programmtechnisch verarbeitet.
Da in einem Kraftfahrzeug eingesetzte optische Partikelsensoren 1 in einem weiten Temperaturbereich, z.B. von -40 Grad C bis 85 Grad C, zu betreiben sind, ist es von besonderer Bedeutung, einen gleichspannungsgekoppelten Verstärker 18 mit einer sehr kleinen Temperaturdrift zu verwenden, da die durch die Verschmutzung induzierten Änderungen des Streulichts und damit des konstanten Signalanteils des Messsignals des Photodetektors 16 sehr klein sein können.
In 4 ist der Signalverlauf am Photodetektor 16 des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 bei verschiedenen Verschmutzungsgraden dargestellt. Das verschmutzungsbedingte Streulicht führt insgesamt zu einer Anhebung des Messsignalwerts bzw. des Signalpegels. Dieser Offset ist im Signalverlauf vergleichsweise einfach bestimmbar, da es sich um den Signalpegel zwischen den Partikelsignalen handelt.
Dieser für das verschmutzungsbedingte Streulicht kennzeichnende Signalwert wird abgespeichert und bei den folgenden Messungen vom Signalwert abgezogen.
Bei sehr hohen Verschmutzungsgraden ergibt sich zusätzlich zu dem durch das Streulicht bedingten Signalanteil eine kleine Dämpfung der Amplituden der Partikelsignale durch die reduzierte Lichtintensität im Messvolumen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass für eine Bauart des vorstehend im Prinzip geschilderten optischen Partikelsensors 1 der Zusammenhang zwischen Signalanhebung und Amplitudenreduzierung eine typische Kennlinie ist.
Indem diese Kennlinie für die betreffende Bauart des optischen Partikelsensors 1 experimentell ermittelt wird und in der Auswerteeinheit 9 des optischen Partikelsensors 1 hinterlegt wird, kann programmgesteuert aus einer Zuordnungstabelle der zur Signalanhebung gehörende Amplitudendämpfungsfaktor d herausgelesen und zur Korrektur des Messsignals herangezogen werden.
Hierbei sei: $s (t) = Photodetektorsignal zum Zeitpunkt t$
$h (t) = der zum Zeitpunkt aktuell gespeicherte Offsetwert$
$\begin{array}{l} d (t) = der in der Zuordnungstabelle dem Offset h zugeordnete \\ Amplitudend \ddot{a} mpfungsfaktor d \end{array}$
Dann ergibt sich das korrigierte Messsignal m zu $m (t) = (s (t)) * d (t)$
In 5 wird der Signalverlauf am Photodetektor 7 des Aerosolphotometers 2 bei verschiedenen Verschmutzungsgraden gezeigt, wobei die Zeiteinheit zu beachten ist.
Es besteht nicht die Möglichkeit, aus dem Signalverlauf auf den Verschmutzungsgrad des optischen Partikelsensors 1 zu schließen, da zu keinem Zeitpunkt gewährleistet ist, dass eine Partikelmassenkonzentration von 0,0µg/m³ auftritt. Daher ist es nicht möglich, einfach den niedrigsten in einem definierten Zeitintervall gemessenen Wert als 0µg/m³ anzunehmen.
Tritt als niedrigster Wert in einem definierten Zeitintervall z.B. eine Partikelmassenkonzentration von 20µg/m³ auf und wird dieser Wert als 0,0µg/m³-Wert vermutet und zur Offsetkorrektur für folgende Messungen abgespeichert, so werden im Folgenden die Messergebnisse um diesen niedrigsten Wert von 20µg/m³ zu niedrig ausgegeben.
Wenn der optische Partikelsensor 1 neben dem Aerosolphotometer 2 zusätzlich das Einzelpartikel-Zählphotometer 10 aufweist, wie dies in 1 gezeigt ist, können die vorstehend für das Einzelpartikel-Zählphotometer 10 beschriebenen Vorgehensweisen auch in Verbindung mit dem Aerosolphotometer 2 genutzt werden.
Die einzige Voraussetzung für eine regelmäßige Anpassung der Korrekturwerte, nämlich Offset h und Dämpfungsfaktor d, ist das Auftreten einer Partikelanzahlkonzentration, in der das Einzelpartikel-Zählphotometer 10 koinzidenzfehlerfrei misst. Bei einem mehrkanaligen optischen Partikelsensor 1 kann dies auch dadurch erzwungen werden, dass für die regelmäßige Anpassung der Korrekturwerte auf einen Kanal mit niedriger Partikelanzahlkonzentration gewechselt wird.
Da der Prozess der Verschmutzung des optischen Partikelsensors 1 durch Aerosolablagerungen ein langsam fortschreitender Prozess ist, der eher in Wochen als Stunden zu signifikanten Änderungen hinsichtlich der Mess- bzw. Ausgabesignale führt, ist die Wahrscheinlichkeit für eine regelmäßige Möglichkeit zur Anpassung der Korrekturwerte vergleichsweise groß.
Wenn das Aerosolphotometer 2 und das Einzelpartikel-Zählphotometer 10 hinsichtlich der ihnen jeweils zugeordneten Messeinrichtung getrennt sind, so können die wie vorstehend beschrieben ermittelten Korrekturwerte, Offset h und Amplituden bzw. Pegeldämpfungsfaktor d, nicht unmittelbar auf das Messsignal des Aerosolphotometers 2 angewendet werden.
Hier wird folgende Vorgehensweise vorgeschlagen:

Bei Partikelmassenkonzentrationen im Messbereich des Einzelpartikel-Zählphotometers 10 werden bei verschiedenen Partikelmassenkonzentrationen der Wert der mit dem Einzelpartikel-Zählphotometer 10 ermittelten Partikelmassenkonzentration und der gleichzeitig mit dem Aerosolphotometer 2 ermittelte Wert der Partikelmassenkonzentration abgespeichert. Es werden zwei Wertepaare benötigt, durch die rechnerisch eine Gerade gelegt werden kann. Vorteilhaft ist ein möglichst großer Abstand zwischen den beiden Wertepaaren.

Das damit durchzuführende Verfahren wird im Folgenden anhand 3 erläutert.
Die Kennlinie mit den Kreisen zeigt den Zusammenhang zwischen den Messwertepaaren, wenn der optische Partikelsensor 1 sauber ist.
Es ist kein Offset h und keine Amplitudendämpfung im Messwert des Aerosolphotometers 2 vorhanden.
Ein Offset h führt dazu, dass die zwischen den Wertepaaren gelegte Gerade die y-Achse im Punkt x=0 nicht bei y=0 schneidet. Der bei x=0 ergebende Wert für y entspricht dem Offset h.
Die Steigung der ermittelten Geraden hat im sauberen Zustand des optischen Partikelsensors 1 den Wert 1. In 3 ist dargestellt, dass sich die Steigung der Geraden bei starker Verschmutzung des optischen Partikelsensors 1 verringert. Dies liegt an der Reduzierung der Lichtintensität im Messvolumen durch die Absorption des Lichtes an den verschmutzten optischen Austritts- und Eintrittsflächen.
Die Steigung der Geraden entspricht dem anzuwendenden Pegeldämpfungsfaktor p.
Damit ergibt sich die folgende Funktion für die Korrektur der Messwerte des Aerosolphotometers (APM) 2.
Es sei: $s (t) = APM - Photodetektorsignal zum Zeitpunkt (t)$
$h (t) = der zum Zeitpunkt t aktuell gespeicherte Offsetwert$
$p (t) = die letzte ermittelte Geradensteigung$
Dann ergibt sich das korrigierte Messsignal m zu $m (t) = s (t) - h (t)) / p (t)$
Aus den ermittelten Korrekturwerten wird ein Statuswert für den Verschmutzungsgrad des optischen Partikelsensors 1 und damit für die Signalqualität generiert. Dieser Statuswert kann von extern z.B. über einen Diagnoseanschluss abgefragt werden.
Entsprechend des wie vorstehend beschrieben ermittelten Verschmutzungsgrad des optischen Partikelsensors 1 kann dann einfach entschieden werden, ob eine Reinigung bzw. ein Service für den optischen Partikelsensor 1 erforderlich ist.
Bei einem optischen Partikelsensor 1, der lediglich ein Einzelpartikel-Zählphotometer 10 aufweist und in 2 dargestellt ist, können nur der Wert für den Offset h und der Wert d für die Pegeldämpfung ausgegeben werden.
Bei einem optischen Partikelsensor 1, der sowohl das Aerosolphotometer 2 als auch das Einzelpartikel-Zählphotometer 10 aufweist und der in 1 dargestellt ist, können aufgrund der getrennten Messsysteme vier Werte ausgegeben werden.
Im Falle der erfindungsgemäßen optischen Partikelsensoren 1 sollen vorteilhaft die vorhandenen Offsets und Dämpfungswerte in einen einzigen Statuswert transformiert werden, der z.B. der Signalqualität des optischen Partikelsensors 1 einen Wert zwischen 0 und 100 zuordnet.
Hier wird vorgeschlagen, den größeren der beiden ermittelten Offsetwerte für die Erzeugung des Statuswertes heranzuziehen.
Die Transformation kann z.B. nach folgender Rechenvorschrift erfolgen: $\begin{array}{l} Status (0...100) mit 100 = sehr gut und 0 = sehr \\ schlecht . \end{array}$
Der Offset wird in ein Partikelmassenäquivalent Ä in µg/m³ umgerechnet. Bei einem neuen System ist das 0,0µg/m³. $Status = 100 - \ddot{A}, wenn \ddot{A} < = 100$
$Status = 0, wenn \ddot{A} > 100$
Mit den vorstehend geschilderten Ausführungsformen optischer Partikelsensoren 1 wird eine automatische Diagnose zur Erkennung von Verschmutzungsgraden und Betauung einer optischen Messstrecke zur Verfügung gestellt.

Claims

Partikelsensor, mittels dem eine Partikelmassenkonzentration in einem Aerosolvolumen erfasst wird und der als Aerosolphotometer (2) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsensor (1) des Weiteren zur Erkennung einzelner Partikel bei niedrigen, z.B. bis 1000 Partikel/cm³, Partikelkonzentrationen ein Einzelpartikel-Zählphotometer (10) aufweist, wobei in einem gültigen Messbereich des Einzelpartikel-Zählphotometers (10) ein Messwert desselben mit dem des Aerosolphotometers (2) verglichen wird und eine Veränderung des Verhältnisses zwischen dem Messwert des Einzelpartikel-Zählphotometers (10) und dem Messwert des Aerosolphotometers (2) in einen Verschmutzungsgrad des Partikelsensors (1) umgerechnet wird.
Partikelsensor, mittels dem eine Partikelmassenkonzentration in einem Aerosolvolumen erfasst wird und der als Einzelpartikel-Zählphotometer (10) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsensor des Weiteren zur Erfassung eines auf den Verschmutzungsgrad des Partikelsensors (1) zurückgehenden statischen Signalanteils einen gleichspannungsgekoppelten Verstärker (18) aufweist, dessen Eingang mit einem Photodetektor (16) des Einzelpartikel-Zählphotometers (10) verbunden und dessen Ausgang mittels eines A/D-Wandlers (19) abtast- und programmtechnisch bearbeitet wird.
Partikelsensor nach Anspruch 2, bei dem der gleichspannungsgekoppelte Verstärker (18) eine sehr kleine Temperaturdrift aufweist.