DE102017204037A1

DE102017204037A1 - Optischer Sensor mit Belagssensor

Info

Publication number: DE102017204037A1
Application number: DE102017204037.8A
Authority: DE
Inventors: Daniel Aquino Maier; Eugen Baumgart
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2018-09-13
Also published as: CN108572152B; CN108572152A; KR102522728B1; KR20180103760A

Abstract

Optischer Sensor zur optischen Messung von zumindest einer Konzentration eines Bestandteils eines Fluids, insbesondere zur optischen Messung der Konzentration von Russ im Abgas eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine, mit einer Lichtquelle und einem optischen Detektor (12), wobei entlang der Lichtausbreitung zwischen der Lichtquelle (11) und dem Detektor (12) eine mit dem Fluid kommunizierende Messkammer (13) und zumindest ein die Messkammer (13) begrenzendes optisches Fenster (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Belagssensor (20) zur gesonderten Erfassung von Belägen (40) auf dem optischen Fenster (14) in den optischen Sensor integriert ist.

Description

Stand der Technik
Aus der DE 10 2008 044 171 A1 ist bereits ein Sensor zur Messung der Konzentration eines Bestandteils eines Abgases bekannt, der eine Lichtquelle, eine Messzelle und einen optischen Detektor umfasst, wobei von der Lichtquelle erzeugtes Licht in die Messzelle und von dort zu dem optischen Detektor gelangt, wobei der Sensor ferner mindestens ein Zutrittsmittel umfasst, durch das ein Zutritt des Abgases in die Messzelle erfolgt und durch das ein Zutritt des Abgases in die Messzelle für zumindest Teile des Abgases unterbindbar ist.
Die Messzelle wird von einem optischen Fenster begrenzt, durch das Licht von der Lichtquelle in die Messzelle und/oder aus der Messzelle heraus zu dem optischen Detektor gelangt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 basiert auf der Erkenntnis, dass sich auch während eines bestimmungsgemäßen Gebrauchs des optischen Sensors auf dem optischen Fenster Beläge bilden können, die die Transmission von Licht durch das Fenster vermindern, und dass diese verminderte Transmission von einer Absorption beziehungsweise verminderten Wechselwirkung des Lichts in der Messzelle prinzipiell nicht unterschieden werden kann und somit die Genauigkeit des optischen Sensors vermindert ist, beziehungsweise eine regelmäßige Wartung und/oder Rekalibrierung des Sensors erforderlich ist.
Erfindungsgemäß ist daher ein Belagssensor zur gesonderten Erfassung von Belägen auf dem optischen Fenster in den optischen Sensor integriert.
Der erfindungsgemäße optische Sensor zur Messung von zumindest einer Konzentration eines Bestandteils eines Fluids kann beispielsweise ein CO-, CO2-, NO-, NOx-, SO2-, O2-, NH3- und/oder Russ-Sensor sein. Es kann sich auch um einen Sensor zur Bestimmung des Anteils von Biodiesel in einem Dieselkraftstoff handeln. Es kann sich überdies um einen Sensor zur On-Board -Diagnose in einem Kraftfahrzeug handeln und/oder um einen tragbaren Sensor und/oder um einen, insbesondere stationären, Sensor zum Einsatz in Werkstätten. Auch miniaturisierte Sensoren, wie sie unter der Bezeichnung LAB on Chip bekannt sind, kommen insbesondere in Betracht.
Ein Fluid ist vorliegend insbesondere im weitesten Sinne ein Gas oder eine Flüssigkeit bzw. Mischungen aus Gasen und/oder Flüssigkeiten samt eventuell darin enthaltener Schwebstoffe. Ein Fluid ist vorliegend insbesondere ein Stoff oder ein Stoffgemisch, der/das mittels seiner Fließfähigkeit dem optischen Sensor kontinuirlich zuführbar ist.
Durch die gesonderte Erfassung von Belägen auf dem optischen Fenster wird insbesondere die Information darüber, inwiefern auf dem optischen Fenster Beläge vorhanden sind, gesondert, also unabhängig, von der Konzentration des Bestandteils des Fluids erfasst. In Kenntnis darüber, inwiefern auf dem optischen Fenster Beläge vorhanden sind, kann mit dem optischen Sensor andererseits insbesondere mit höherer Genauigkeit, beziehungsweise ohne Wartungen und/oder Rekalibierungen, zuverlässig auf die Konzentration des Bestandteils des Fluids geschlossen werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Belagssensor in den optischen Sensor integriert ist. Vorzugsweise ist hierunter zu verstehen, dass Belagssensor und optischer Sensor nicht getrennt voneinander angeordnet sind. Insbesondere bilden sie eine gemeinsam handhabbare, vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnete, Vorrichtung. Es kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße optische Sensor mit seinem in ihm integrierten Belagssensor nach außen hin über eine einzige und/oder gemeinsame mechanische Schnittstelle, beispielsweise ein Gewinde, verfügt und/oder nach außen hin über eine einzige und/oder gemeinsame elektrische Schnittstelle, beispielsweise einen Stecker oder eine Buchse, verfügt. Die Integration des Belagssensors in den optischen Sensor kann zusätzlich oder alternativ auch vorsehen, dass der Belagssensor und der optische Sensor in Teilen ihrer Komponenten identisch sind, also beispielsweise, im Fall eines optischen Belagssensors gemäß Anspruch 2, der optische Detektor zugleich der optische Belagssensordetektor ist und/oder beispielsweise ein gemeinsam genutztes optisches Fenster vorgesehen ist.
Wenn der optische Detektor zugleich der optische Belagssensordetektor ist, kann die Detektion der Beläge zeitlich getrennt zu der Messung der Konzentration des Bestandteils des Fluids, beispielsweise in regelmäßig wiederkehrenden Zeitabständen, erfolgen. Alternativ kann die Detektion der Beläge gleichzeitig mit der Messung der Konzentration des Bestandteils des Fluids erfolgen, beispielsweise indem die Emission der Lichtquelle eine andere Wellenlänge aufweist als die Emission der Belagssensorlichtquelle und/oder indem der Emission der Lichtquelle und/oder der Emission der Belagssensorlichtquelle eine Intensitätsmodulation aufgeprägt wird und jeweils geeignete Detektoren bzw. Auswerteschaltkreise verwendet werden.
Der optische Belagssensor umfasst insbesondere eine Belagssensorlichtquelle, beispielsweise kann es sich um eine LED oder einen Laser oder Halbleiterlaser handeln.
Die Emission der Belagssensorlichtquelle (synonym: „Belagssensorlicht“) ist insbesondere auf die Oberfläche des optischen Fensters gerichtet, die die Messkammer begrenzt. Hierbei kann die Emission der Belagssensorlichtquelle von außen, also insbesondere von der Messkammer her, auf die Oberfläche des optischen Fensters gerichtet sein, die auch von der Lichtquelle des optischen Sensors beleuchtet wird. Alternativ ist es möglich, dass die Emission der Belagssensorlichtquelle zunächst in das optische Fenster eingekoppelt wird und dann von innen auf die Oberfläche des optischen Fensters fällt, die auch von der Lichtquelle des optischen Sensors beleuchtet wird. Hierbei kann die Einkopplung der Emission der Belagssensorlichtquelle in das optische Fenster insbesondere durch eine Seitenfläche des optischen Fensters erfolgen, die von der Lichtquelle nicht durchleuchtet wird. Beispielsweise können Frontseite und Rückseite des Fensters von der Lichtquelle beleuchtet sein, während die Emission der Belagssensorlichtquelle durch eine Seitenfläche (also nicht durch Frontseite oder Rückseite) in das optische Fenster einkoppeln kann.
Der optische Belagssensor umfasst ferner insbesondere einen optischen Belagssensordetektor, beispielsweise einen Photodetektor wie zum Beispiel eine Photodiode, SPAD oder APD. Es ist insbesondere vorgesehen, dass auf den optischen Belagssensordetektor ein Anteil der Emission der Belagssensorlichtquelle fällt und so detektiert wird. Dieser Anteil ist insbesondere von mindestens einer Eigenschaft der Beläge auf dem optischen Fenster abhängig. Beispielsweise kann es sich bei dem Anteil um an den Belägen gestreutes Licht handeln, sodass umso mehr Licht detektiert wird, je mehr Beläge auf dem optischen Fenster vorhanden sind oder umso intransparentere Beläge auf dem optischen Fenster vorhanden sind. Alternativ kann es sich bei dem Anteil um Licht handeln, dass an dem optischen Fenster eine Totalreflektion erfahren hat. In diesem Fall wird umso weniger Licht detektiert, je mehr Beläge auf dem optischen Fenster vorhanden sind oder je intransparente Beläge auf dem optischen Fenster vorhanden sind, da in diesem Fall die Totalreflektion des Lichts an der Oberfläche des optischen Fensters durch die Beläge beeinträchtigt ist.
Wie oben bereits beispielhaft erläutert, kann es sich bei dem Anteil der Emission der Belagssensorlichtquelle, die auf den Belagssensordetektor fällt, um Licht handeln, das durch die Beläge eine Streuung erfahren hat. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Anteil der Emission der Belagssensorlichtquelle, der durch die Beläge eine Streuung erfahren hat, nicht oder jedenfalls nur zu einem sehr kleinen Anteil auf den Belagssensordetektor fällt.
Die Genauigkeit des Belagssensors und damit auch des optischen Sensors ist erhöht, wenn das optische Fenster durch die Emission der Belagssensorlichtquelle möglichst homogen und von kollimiertem Licht ausgeleuchtet wird, da in diesem Fall eine Mehrfachwechselwirkung von Belägen mit einzelnen Lichtstrahlen und eine damit verbundene Fehlinterpretation der Messergebnisse weitgehend ausschießbar ist. Beispielhaft kann dies dadurch erfolgen, dass die Emission der Belagssensorlichtquelle vor der Einkopplung in das optische Fenster durch ein holographisches optisches Element oder durch eine Keiloptik oder durch eine Linse kollimiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Anteil der Emission der Belagssensorlichtquelle vor der Detektion durch den Belagssensordetektor durch ein holographisches optisches Element oder durch eine Keilplatte oder durch eine Linse auf den Detektor abgebildet wird, insbesondere fokussiert wird.
Die Intensität der Emission der Belagssensorlichtquelle bzw. die Intensität des Anteils der Emission der Belagssensorlichtquelle, der den Belagssensordetektor erreicht, ist auch Schwankungen unterworfen, die unabhängig von Belägen auf dem optischen Fenster sind. Beispielsweise kann die Ausgangsleistung der Gesamtemission der Belagssensorlichtquelle schwanken oder im Laufe ihrer Lebensdauer abnehmen. Daher ist es zweckmäßig, einen Referenzdetektor vorzusehen, auf den ein Anteil der Emission der Belagssensorlichtquelle fällt, ohne zuvor mit dem optischen Fenster und/oder dessen Belägen in Wechselwirkung zu treten. Das Ausgangssignal des Belagssensordetektors kann dann beispielsweise anhand des Ausgangssignal des Referenzdetektors bewertet werden, insbesondere auf dieses normiert werden.
Die Lichtstrecke zwischen Belagssensorlichtquelle und Referenzdetektor ist robust gegen Störungen, beispielsweise Verschmutzungen und dergleichen, wenn der Teil der Emission der Belagssensorlichtquelle, der auf der Referenzdetektor fällt, ohne zuvor mit dem optischen Fenster und/oder dessen Belägen in Wechselwirkung zu treten, auch gegenüber dem Fluid komplett abgeschirmt ist, also insbesondere die entsprechende Lichtausbreitung von dem Fluid beabstandet erfolgt. Insbesondere verläuft die Lichtstrecke zwischen Belagssensorlichtquelle und Referenzdetektor nicht durch die Messkammer.
Erfolgt die Emission der Belagssensorlichtquelle in Form eines divergenten Lichtstrahls, der in das optische Fenster einkoppelt, kann es dazu kommen, dass Teile dieses divergenten Lichtstrahls unter Winkeln auf die Oberfläche des optischen Fensters treffen, die größer als der Grenzwinkel der Totalreflektion sind. Ein Verlust von Belagssensorlicht kann in diesem Fall durch eine reflektierende Beschichtung vermieden werden, die zumindest ein Teil der Oberfläche des optischen Fensters aufweist. In vorteilhafter Weiterbildung ist die reflektierende Beschichtung transparent für die Emission der Lichtquelle und/oder nur an Oberflächen des Fensters vorgesehen, die nicht von der Emission der Lichtquelle durchleuchtet werden sollen. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass das optische Fenster in Ausbreitungsrichtung des eingekoppelten Belagssensorlichts gesehen im vorderen Teil eine für das eingekoppelte Belagssensorlicht absorbierende Oberfläche, insbesondere oberflächliche Schicht, aufweist. Auf diese Weise, insbesondere durch Vorsehung einer absorbierenden Schicht, wird verhindert, dass dieses Belagssensorlicht unter zu steilen Winkeln das optische Fenster verlässt.
Bei dem optischen Sensor kann es sich um einen absorptionsspektroskopischen Aufbau handeln, insbesondere um einen nicht-dispersiven Infrarotsensor. Die Lichtquelle ist in diesem Fall ein Laser, bevorzugt ein Infrarot-Laser. Es kann sich beispielsweise um einen Infrarot-Halbleiterlaser handeln.
Andererseits kann der optische Sensor auf der Auswertung von Mie-Streuung basieren und es somit insbesondere ermöglichen, zusätzlich zur Anzahl bzw. Konzentration auch die Größe der detektierten Partikel zu bestimmen. Hierbei sind insbesondere zwei Detektoren vorgesehen, von den relativ zur Lichtausbreitungsrichtung von der Messkammer aus gesehen ein Detektor mehr in Vorwärtsrichtung und ein Detektor mehr in Rückwärtsrichtung angeordnet ist. In Weiterbildung sind Mittel zur Korrelation der von den Detektoren geliefert Signalen vorgesehen.
In einem Ausführungsbeispiel befindet sich vor jedem der beiden Detektoren ein optisches Fenster. Ein Belagssensordetektor kann in diesem Fall dadurch realisiert werden, dass die Emission einer Belagssensorlichtquelle aus zwei Teilen besteht oder in zwei Teile aufgeteilt ist und jeder dieser Teile zur Detektion von Belägen auf jeweils einem der beiden Fenster (wie für ein einzelnes Fenster vorliegend beschrieben) verwendet wird.
Die Erfindung betrifft insbesondere als weiteren Gegenstand auch einen Belagssensor zur Erfassung von Belägen auf einem optischen Fenster als solchen, dessen vorliegend offenbarten Weiterbildungen sowie dessen Verwendung zur Detektion von Belägen auf einem optischen Fenster einer optischen Vorrichtung und dessen Integration in diese optische Vorrichtung. Bei der optischen Vorrichtung kann es sich außer um einen optischen Sensor zur optischen Messung von zumindest einer Konzentration eines Bestandteils eines Fluids mit einer Lichtquelle und einem optischen Detektor, wobei entlang der Lichtausbreitung zwischen der Lichtquelle und dem Detektor eine mit dem Fluid kommunizierende Messkammer und zumindest ein die Messkammer begrenzendes optisches Fenster angeordnet ist, beispielsweise auch um einen sonstigen optischen Sensor mit einem optischen Fenster handeln. Alternativ kann es sich um eine Kamera mit einem optischen Fenster und/oder um dergleichen handeln.
Figurenliste

Die 1 und 2 zeigen beispielhaft jeweils einen optischen Sensor mit optischen Fenstern. In diese optischen Sensoren sind die in den 3A und 3B sowie 4A und 4B gezeigten Belagsensoren integrierbar.
Die 3A und 3B zeigen beispielhaft einen Belagssensor zur gesonderten Erfassung von Belägen auf den optischen Fenstern der in den 1 und 2 gezeigten optischen Sensoren.
Die 4A und 4B zeigen beispielhaft andere Belagssensoren zur gesonderten Erfassung von Belägen auf den optischen Fenstern der 1 und 2 gezeigten optischen Sensoren.
Die 5A auf 5B zeigen beispielhaft weitere Ausführungsformen der Erfindung.

Ausführungsformen
1 zeigt beispielhaft einen optischen Sensor 10 zur Messung der Konzentration von Ruß in einem Abgas einer Brennkraftmaschine, mit einer Lichtquelle 11 und einem optischen Detektor 12. Von der Lichtquelle 11, die vorliegend eine LED oder ein Laser sein kann, breitet sich Licht 1 durch ein optisches Fenster 14 aus Glas, insbesondere Quarzglas, in die Messkammer 13 aus. Von der Messkammer 13 gelangt es durch das gegenüberliegende optische Fenster 14' aus Glas, insbesondere Quarzglas, zu dem optischen Detektor 12, der vorliegend eine Photodiode ist. In der 1 ist die Ausbreitung des Lichts 1 durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet. Sie kann in Form eines kollimierten Lichtstrahls erfolgen. Bei dem optischen Sensor 10 gemäß 1 kann es sich beispielsweise um einen absorptionsspektroskopischen Aufbau, insbesondere um einen nicht-dispersiven Infrarotsensor (NDIR) handeln. In Abhängigkeit von der Russkonzentration schwächt sich der Lichtstrahl gemäß dem Lambert-Beerschen Gesetz ab.
Die Messkammer weist Anschlüsse auf, über die sie fluidisch mit dem Abgas der Brennkraftmaschine kommuniziert. Ein entsprechender Abgasfluss ist in der 1 durch einfache Pfeile gekennzeichnet.
2 zeigt beispielhaft einen anderen optischen Sensor 10 zur Messung der Konzentration von Ruß in einem Abgas einer Brennkraftmaschine mit einer Lichtquelle 11 und mit zwei optischen Detektoren 12', 12". Von der Lichtquelle 11, die vorliegend wiederum eine LED oder ein Laser sein kann, breitet sich Licht 1 in Form eines kollimierten Lichtstahls (Doppelpfeil) durch ein optisches Fenster 14 aus Glas, insbesondere Quarzglas, in die Messkammer 13 aus, welche außerhalb der Zeichenebene mit dem Abgas einer Brennkraftmaschine kommuniziert. Beispielsweise fließt Abgas senkrecht zur Zeichenebene durch die Zeichenebene. Während Licht 1, das in der Messkammer 13 nicht gestreut wird, in einer der Lichtquelle 11 gegenüberliegenden Lichtfalle 41 absorbiert wird, gelangt Licht, das in der Messkammer 13 eine Streuung an Rußpartikeln erfahren hat (gestrichelten Pfeile), durch optische Fenster 14', 14" aus Glas, insbesondere Quarzglas, zu den optischen Detektoren 12', 12".
Hierbei ist einer der Detektoren 12' relativ zur Lichtausbreitungsrichtung von der Messkammer 13 ausgesehen mehr in Rückwärtsrichtung angeordnet. Der andere der Detektoren 12" ist relativ zur Lichtausbreitungsrichtung von der Messkammer 13 aus gesehen mehr in Vorwärtsrichtung angeordnet.
Das Messprinzip des in der 2 gezeigten optischen Sensors 10 basiert darauf, dass immer wenn in der Messkammer 13 Licht 1 an einem Rußpartikel gestreut wird an den beiden optischen Detektoren 12', 12" fast gleichzeitig jeweils ein elektrisches Signal generiert wird. Aufgrund der unterschiedlichen Orientierung der optischen Detektoren 12', 12" relativ zur Lichtausbreitungsrichtung und zur Messkammer 13 unterscheiden sich diese Signale allerdings in einer für die Größe des Rußpartikel charakteristischen Weise in ihrer Höhe. Durch Mittel 60 zur Korrelation der von den Detektoren 12', 12" gelieferten Signale ist es daher möglich, einzelne Rußpartikel auf Basis der Auswertung der Mie-Streuung größenaufgelöst zu detektieren.
Ohne die Vorsehung eines Belagssensors zur gesonderten Erfassung von Belägen auf den optischen Fenstern 14 wäre die Genauigkeit der optischen Sensoren 10 vermindert. Bei dem in der 1 gezeigten optischen Sensor 10 sind die optische Verluste durch Streuung an dem optischen Fenster 14 oder dem optischen Fenster 14' nicht von einer Absorption von Licht in der Messkammer 13 zu unterscheiden. Eine Verschmutzung der optischen Fensters 14,14' führt daher prinzipbedingt dazu, dass der Sensor 10 die Konzentration der Rußpartikel im Abgas zu hoch bestimmt.
Bei dem in der 2 gezeigten optischen Sensor 10 sind optische Verluste durch Streuung an den optischen Fenster 14, 14', 14" nicht von einer verminderten Streuung an Rußpartikeln in der Messkammer 13 zu unterscheiden. Eine Verschmutzung der optischen Fensters 14, 14', 14" führt daher prinzipbedingt dazu, dass der Sensor 10 die Konzentration der Rußpartikel im Abgas zu niedrig bestimmt. Eine Verschmutzung der den optischen Detektoren 12', 12" vorgelagerten optischen Fenstern 14', 14" in unterschiedlichem Ausmaß führt überdies dazu, dass die von den Detektoren 12', 12" bestimmten Signale auch relativ zueinander verfälscht sind, sodass die Größe der detektierten Rußpartikel nicht richtig bestimmt werden kann.
Die 3A und 3B sowie die 4A und 4B zeigen Belagssensoren 20 zur Erfassung von Belägen 40 auf einem optischen Fenster 14. Erfindungsgemäß ist die Integration eines derartigen Belagssensors 20 in einen optischen Sensor 10, wie er beispielsweise in den 1 und 2 gezeigt ist, vorgesehen. Das in den 3A und 3B sowie in 4A und 4B gezeigte optische Fenster 14 kann dabei jeweils eines der Fenster 14,14', 14" aus den 1 und 2 sein, sodass jeweils verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung resultieren. Überdies kann auch beispielsweise mehreren optischen Fenstern 14,14', 14" der in den 1 und 2 gezeigten Rußsensoren 10 jeweils ein derartiger optischer Belagssensor 20 zugeordnet sein.
Die 3A und 3B zeigen einen Belagssensor 20 zur gesonderten Erfassung von Belägen auf dem optischen Fenster 14 eines optischen Sensors 10. Die Perspektive ist so, dass die Ausbreitung des Lichts 1 des optischen Sensors 10 in der 3A von hinten nach vorne durch die Zeichenebene hindurch und in 3B von unten nach oben erfolgt. Das Licht 1 des optischen Sensors 10 durchleuchtet das optische Fenster 14 durch dessen Vorderseite 141 und dessen Rückseite 142 (in 3B oben und unten).
Der Belagssensor 20 weist eine Belagssensorlichtquelle 21 und einen optischen Belagssensordetektor 22 auf. Die Belagssensorlichtquelle 21 emittiert divergentes Belagssensorlicht 3, das durch eine Seitenfläche 143 in das optische Fenster 14 eingekoppelt wird. Die Seitenfläche 143 des optischen Fensters 14 ist verschieden von der Vorderseite 141 und der Rückseite 142 des optischen Fensters 14, durch die das Licht 1 des optischen Sensors 10 das optische Fenster 14 durchleuchtet. Im Inneren des optischen Fensters 14 wird das Belagssensorlicht 3 an der Vorderseite 141 und der Rückseite 142 totalreflektiert sowie an der Seitenfläche 143 des optischen Fensters 14 an einer dort vorgesehenen reflektierenden Beschichtung 16 reflektiert. Ein der Belagssensorlichtquelle 21 zugewandter Teil der Vorderseite 141 und der Rückseite 142 des optischen Fensters 14 ist mit einer absorbierenden Beschichtung 17 versehen, um zu verhindern, dass Licht unter zu steilen Winkeln das optische Fenster 14 verlässt. Auf diese Weise gelangt Belagssensorlicht 3 direkt und unter einfacher oder mehrfacher Reflexion zu dem optischen Belagssensordetektor 22.
In der 3B ist ein Belag 40 der Rückseite 142 des optischen Fensters 14 gezeigt. Es kann sich beispielsweise um Ölasche oder um Russ oder um eine sonstige Verschmutzung handeln. Fällt Belagssensorlicht 3 auf diesen Belag 40, so wird es nicht totalreflektiert, sondern verlässt als Streulicht 3' das optische Fenster 14. Die Menge des auf dem Belagssensordetektor 22 detektierten Belagssensorlicht 3 ist vermindert, und zwar umso mehr je mehr Beläge 40 auf der Vorderseite 141 und/oder auf der Rückseite 142 des optischen Fensters 14 vorhanden sind.
In diesem Ausführungsbeispiel ist ferner ein optischer Referenzdetektor 25 vorgesehen, der mit einem Teil der Emission der Belagssensorlichtquelle 21 beaufschlagt ist, ohne zuvor mit dem optischen Fenster 14 oder mit Belägen 40 in Wechselwirkung zu treten. Der Lichtweg (gestrichelten Linie in Figur 3A und 3B) von der Belagssensorlichtquelle 21 zum Referenzdetektor 25 verläuft vollständig außerhalb der Messkammer 13 und abgeschirmt vom Abgas, sodass eine robuste Referenz für die tatsächliche Intensität der Emission der Belagssensorlichtquelle 21 zur Verfügung steht, mit der die von dem optischen Belagssensordetektor 22 generierten Signale verglichen werden können und/oder auf die die von dem optischen Belagssensordetektor 22 generierten Signale normiert werden können.
In einer Alternative zu dem in den 3A und 3B gezeigten Aufbau wird auf einen separaten optischen Belagssensordetektor 22 verzichtet. Stattdessen wird das Streulicht 3' durch den optischen Detektor 12 (siehe 1 und 2) detektiert, der bereits Bestandteil des optischen Sensors 10 an sich ist. Da dieser optische Sensor 10 gleichzeitig auch der Messung der Rußkonzentration im Abgas dient, ist im Rahmen dieser Alternative vorgesehen, dass die Detektion der Beläge 40 zeitlich getrennt zu der Messung der Rußkonzentration im Abgas in regelmäßig wiederkehrenden Zeitabständen erfolgt. Alternativ wäre es auch möglich, dass die Detektion der Beläge 40 gleichzeitig mit der Messung der Rußkonzentration im Abgas erfolgt, beispielsweise indem die Emission der Lichtquelle eine andere Wellenlänge aufweist als die Emission der Belagssensorlichtquelle 21 und/oder indem der Emission der Lichtquelle 11 und/oder der Emission der Belagssensorlichtquelle 21 eine Intensitätsmodulation aufgeprägt wird und entsprechend geeignete Detektoren beziehungsweise geeigtnete Auswerteschaltkreise verwendet werden um an die gewünschten Signale getrennt voneinander zu gelangen.
4A zeigt einen Belagssensor 20 mit einer Belagssensorlichtquelle 21, deren Emission vor der Einkopplung in das optische Fenster 14 durch dessen Seitenfläche 143 mittels eines holographischen optischen Elements 50 in einer Richtung innerhalb der Zeichenebene oder in zwei Raumrichtungen kollimiert ist. Die Ausleuchtung des optischen Fensters 14 ist auf diese Weise verbessert. Nach Auskopplung aus dem optischen Fenster 14 durch die gegenüberliegende Seitenfläche 143' erfolgt eine Abbildung des kollimierten Belagssensorlichts 3 auf den optischen Belagssensordetektor 22 mittels eines weiteren holographischen optischen Elements 50'.
4B zeigt einen ähnlichen Belagssensor 20, bei dem die Kollimierung und Abbildung mittels einer Keiloptik 51 und einer weiteren Keiloptik 51' erfolgt. Alternativ können hierfür auch optische Linsen (nicht gezeichnet) benutzt werden.
Die 5A und 5B zeigen Ausführbeispiele in denen jeweils eine spezifische Integration eines Belagssensors 20 in den in der 2 gezeigten optischen Sensor 10 erfolgt. Der resultierende optische Sensor 10 ist in den 5A und 5B lediglich ausschnittsweise dargestellt.
Gemäß 5A besteht die Emission der Belagssensorlichtquelle 21 aus mehreren räumlich getrennten Teilen, von denen einer auf den Referenzdetektor 25 gerichtet ist. Zwei weitere Teile werden jeweils zu Detektion von Belägen 40', 40" auf jeweils einem der beiden optischen Fenster 14', 14" verwendet. Dabei wird jeweils Belagssensorlicht 3 durch das Innere der Messkammer 13 auf die der Messkammer 13 zugewandte Vorderseite 141', 141" des optischen Fensters 14', 14" so gerichtet, dass es unter einem flachen Winkel (beispielsweise 20°) einfällt. Das einfallende Licht wird dann größtenteils reflektiert. In dem Maß, in dem sich aber auf der so beleuchteten Oberfläche des optischen Fensters 14', 14" Beläge 40', 40“befinden, fällt Streulicht 3' auf die optischen Belagssensordetektoren 22', 22". Deren Ausgangssignal ist somit jeweils ein Signal für die Menge der Beläge auf dem betreffenden optischen Fenster 14', 14".
Da bei der Ausführungsform gemäß 5A Belagssensorlicht 3 durch das Innere der Messkammer 13 auf die optischen Fenster 14', 14" fällt, besteht grundsätzlich die Möglichkeit, dass auch der Austritt von Licht aus der Belagssensorlichtquelle 22, beziehungsweise die tatsächlich an die optischen Fenster 14', 14" gelangende Lichtmenge durch entsprechende Verschmutzungen vermindert sein kann.
5B zeigt hingegen eine Ausführungsform, bei der die Belagssensorlichtquelle 21 komplett von der Messkammer 13 abgeschirmt ist und somit wirkungsvoll vor Verschmutzung geschützt ist. Wahlweise kann die Belagssensorlichtquelle 21 komplett außerhalb der Messkammer 13 angeordnet sein; alternativ kommt die Vorsehung einer separaten gasdichten Abschirmung in Betracht, die die Messkammer 13 gasdicht gegenüber dem Belagssensor 20 und seiner Belagssensorlichtquelle 21 trennt. Bei dieser Ausführungsform wird Belagssensorlicht 3 ähnlich wie in den Ausführungsformen gemäß 3A, 3B sowie 4A und 4B durch eine Seitenfläche 143', 143" in das optische Fenster 14', 14" eingekoppelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008044171 A1 [0001]

Claims

Optischer Sensor zur optischen Messung von zumindest einer Konzentration eines Bestandteils eines Fluids, insbesondere zur optischen Messung der Konzentration von Russ im Abgas eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine, mit einer Lichtquelle (11) und einem optischen Detektor (12), wobei entlang der Lichtausbreitung zwischen der Lichtquelle (11) und dem Detektor (12) eine mit dem Fluid kommunizierende Messkammer (13) und zumindest ein die Messkammer (13) begrenzendes optisches Fenster (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Belagssensor (20) zur gesonderten Erfassung von Belägen (40) auf dem optischen Fenster (14) in den optischen Sensor (10) integriert ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Belagssensor (20) ein optischer Belagssensor (20) ist, umfassend eine Belagssensorlichtquelle (21) zur Emission von Belagssensorlicht (3) zur Beleuchtung einer Oberfläche (141,142) des optischen Fensters (14), und einen optischen Belagssensordetektor (22) zur Detektion eines Anteils der Emission der Belagssensorlichtquelle (21), wobei der Anteil von zumindest einer Eigenschaft der Beläge (40) auf dem optischen Fenster (14) abhängig ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Belagssensordetektor (22) mit dem optischen Detektor (12) identisch ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil der Emission der Belagssensorlichtquelle (21), der an den Belägen (40) gestreut wird, durch den Belagssensordetektor (21) detektiert wird.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil der Emission der Belagssensorlichtquelle (21), der nicht durch Beläge (40) gestreut wird, durch den Belagssensordetektor (22) detektiert wird.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Belagssensorlichtquelle (21) eine LED oder ein Laser ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Emission der Belagssensorlichtquelle (21) vor der Einkopplung in das optische Fenster (14) durch ein holographisches optisches Element (50) oder eine Keiloptik (51) oder eine Linse kollimiert wird und/oder dass der Anteil der Emission der Belagssensorlichtquelle (21) vor der Detektion durch den Belagssensordetektor (22) durch ein holographisches optisches Element (50') oder eine Keiloptik (51') oder eine Linse auf den Belagssensordetektor (22) abgebildet wird.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzdetektor (25) vorgesehen ist, auf den ein Teil der Emission der Belagssensorlichtquelle (21) fällt, ohne zuvor mit dem optischen Fenster (14) und/oder dessen Belägen (40) in Wechselwirkung zu treten.
Optischer Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der Emission der Belagssensorlichtquelle (21) der auf den Referenzdetektor (25) fällt, ohne zuvor mit dem optischen Fenster (14) und/oder dessen Belägen (40) in Wechselwirkung zu treten, gegenüber dem Fluid in der Messkammer (13) komplett abgeschirmt ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Oberfläche des optischen Fensters (14) eine reflektierende Beschichtung (16) zur Reflektion der Emission der Belagssensorlichtquelle (21) aufweist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Emission der Belagssensorlichtquelle (21) in Form eines divergenten Lichtstrahls (3) in das optische Fenster (14) eingekoppelt und das optische Fenster (14) in Ausbreitungsrichtung dieses eingekoppelten divergenten Lichts (3) gesehen im vorderen Teil eine lichtabsorbierende Oberfläche (17) aufweist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Emission der Belagssensorlichtquelle (21) durch die Messkammer (13) hindurch auf die Oberfläche des optischen Fensters (14) gelangt und Belagsensorlicht (3), das dort an Belägen (40) gestreut wird, durch das optische Fenster (14) hindurch zu dem Belagssensordetektor (22) gelangt.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Emission der Belagssensorlichtquelle (21) durch das Innere des optischen Fensters (14) an die Oberfläche (141,142) des optischen Fensters (14) gelangt und Belagsensorlicht (3), das dort an Belägen gestreut wird, durch das optische Fenster (14) hindurch zu dem Belagssensordetektor (22) gelangt.
Optischer Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Emission der Belagssensorlichtquelle (21) durch eine Seitenfläche (143) in das das Innere des optischen Fensters (14) gelangt, die von der Lichtquelle (11) nicht durchleuchtet wird.
Optischer Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Emission der Belagssensorlichtquelle (21) das Innere des optischen Fensters (14) als ein zumindest in einer Raumrichtung kollimiertes Lichtbündel (3) durchleuchtet.
Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen absorptionsspektroskopischen Aufbau, insbesondere um einen nicht-dispersiven Infrarotsensor oder nicht-dispersiven UV-Sensor handelt, wobei die Lichtquelle (11) vorzugsweise ein Laser oder eine LED oder eine Glühbirne ist.
Optischer Sensor nach einem der voangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Detektoren (12', 12") vorgesehen sind, von denen relativ zur Lichtausbreitungsrichtung (1) von der Messkammer (13) aus gesehen ein Detektor (12") mehr in Vorwärtsrichtung und ein Detektor (12') mehr in Rückwärtsrichtung angeordnet ist, wobei insbesondere Mittel (60) zur Korrelation der von den Detektoren (12', 12") gelieferten Signalen vorgesehen sind, die es ermöglichen, einzelne Partikel des Messgases auf Basis der Auswertung der Mie-Streuung größenaufgelöst zu detektieren.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 16 und zusätzlich auch nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messkammer (13) hin vor jedem der beiden Detektoren (12', 12") jeweils ein optisches Fenster (14', 14") angeordnet ist, und die Emission der Belagssensorlichtquelle (21) aus zwei Teilen besteht, von denen jeweils ein Teil zur Detektion von Belägen (40) auf jeweils einem der beiden Fenster (14', 14") verwendet wird, wobei jeweils einer der beiden Detektoren (12', 12") mit Hinblick auf das ihm jeweils nachgeordnete optische Fenster (14', 14") gleichzeitig als Belagssensordetektor (22', 22") verwendet wird.