DE102017218084A1

DE102017218084A1 - Particle sensor unit with an optical particle sensor

Info

Publication number: DE102017218084A1
Application number: DE102017218084.6A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wichmann; Radoslav Rusanov
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2019-04-11

Abstract

Vorgestellt wird eine Partikelsensoreinheit mit einem Steuergerät (48) und mit einem Partikelsensor, der ein einen Laser (36) aufweisendes Lasermodul (18) und einen zur Detektion von Strahlung eingerichteten Detektor (26) aufweist. Die Partikelsensoreinheit zeichnet sich dadurch aus, dass das Lasermodul (18) dazu eingerichtet ist, von dem Laser (36) ausgehendes Laserlicht (10) in einen Spot (22) zu bündeln, und Mittel (46, 48) aufweist, mit denen eine Größe des Spots (22, 22') steuerbar ist.

A particle sensor unit is presented with a control unit (48) and with a particle sensor which has a laser module (18) having a laser (36) and a detector (26) equipped for the detection of radiation. The particle sensor unit is characterized in that the laser module (18) is set up to bundle laser light (10) emanating from the laser (36) into a spot (22) and has means (46, 48) with which a size of the spot (22, 22 ') is controllable.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Partikelsensoreinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Partikelsensoreinheit weist ein Steuergerät und einen Partikelsensor auf, der ein einen Laser aufweisendes Lasermodul und einen zur Detektion von Temperaturstrahlung eingerichteten Detektor aufweist.The present invention relates to a particle sensor unit according to the preamble of claim 1. Such a particle sensor unit has a control unit and a particle sensor, which has a laser module having a laser module and a detector configured for the detection of temperature radiation.

Mit modernen Verbrennungsmotoren angetriebene Kraftfahrzeuge werden zunehmend mit Partikelfiltern ausgerüstet. Die Funktionsfähigkeit dieser Partikelfilter muss gesetzlichen Vorschriften entsprechend mit On-Board Diagnose-Mitteln überwacht werden. Für Kraftfahrzeuge werden dabei zum Beispiel einen elektrischen Widerstand aufweisende Sensoren verwendet, die von der Anmelderin hergestellt und vertrieben werden. Die Funktionsweise dieser bekannten Sensoren basiert auf der Bildung von leitfähigen Rußpfaden zwischen zwei Interdigital-Elektroden. Bei diesen Sensoren ist die Anstiegszeit des Stromes nach Anlegen einer Spannung ein Maß für die Partikelkonzentration. Dabei wird die Massenkonzentration (mg/m³ Abgas bzw. mg/km Fahrstrecke) gemessen. Die Berechnung der Anzahlkonzentration (Zahl der Partikel pro m³ Abgas bzw. pro km Fahrstrecke) ist bei diesem Sensorkonzept aus vielfältigen Gründen nur sehr schwer möglich oder sogar unmöglich. Der bekannte Sensor wird periodisch regeneriert, indem er durch ein integriertes Heizelement auf mindestens 700°C aufgeheizt wird, wodurch die Rußablagerungen wegbrennen.Motor vehicles powered by modern combustion engines are increasingly being equipped with particulate filters. The functionality of these particle filters must be monitored by on-board diagnostic means in accordance with legal requirements. For motor vehicles, for example, an electrical resistance sensors are used, which are manufactured and sold by the applicant. The operation of these known sensors is based on the formation of conductive soot paths between two interdigital electrodes. In these sensors, the rise time of the current after applying a voltage is a measure of the particle concentration. The mass concentration (mg / m ³ exhaust gas or mg / km driving distance) is measured. The calculation of the number concentration (number of particles per m ^{3 of} exhaust gas or per km of driving distance) is very difficult or even impossible with this sensor concept for a variety of reasons. The known sensor is periodically regenerated by being heated by an integrated heating element to at least 700 ° C, whereby the soot deposits burn away.

In der wissenschaftlichen Szene, welche sich mit dem Einfluss der feinen Partikel auf die Gesundheit beschäftigt, gibt es seit langem Diskussionen darüber, welche der Größen Partikel-Gesamtmasse (in mg/m³ oder in mg/km angegeben) oder Anzahl n der Partikel (n/m³ oder n/km) in Bezug auf Beeinträchtigungen der Gesundheit die kritischere Größe ist. Dabei ist zu beachten, dass gerade die kleinen Partikel, welche aufgrund ihrer sehr kleinen Masse (m∼r³) einen nur geringen Anteil an der Gesamtmasse haben, besonders gefährlich sind. Dies liegt an ihrer hohen „Eindringtiefe“ in den menschlichen Körper, die sich aus ihrer geringen Größe ergibt. Es ist daher absehbar, dass die Gesetzgebung On Board Diagnose Mittel zur messtechnischen Erfassung auch der Partikelanzahl vorschreiben wird, sobald entsprechende (von der Performance und dem Preis her akzeptable) Lösungen auf dem Markt verfügbar sind.In the scientific scene, which deals with the influence of fine particles on health, there has long been discussion as to which of the sizes total particle mass (in mg / m ³ or in mg / km) or number n of particles ( n / m ³ or n / km) is the more critical factor in terms of health impairments. It should be noted that especially the small particles, which have only a small proportion of the total mass due to their very small mass (less than ³ ), are particularly dangerous. This is due to their high "depth of penetration" into the human body resulting from their small size. It is therefore foreseeable that the on-board legislation will require means of metrological detection of the number of particles as soon as appropriate (in terms of performance and price acceptable) solutions are available on the market.

Bei der Überwachung des Abgases von Verbrennungsmotoren werden auch PEMS-Geräte (PEMS: portable emission measurement system) verwendet, welche an das zu untersuchende Kraftfahrzeug angebracht werden. Neben anderen Abgasbestandteilen werden auch die Anzahl und die Masse der Partikel im Abgas gemessen. Zur Detektion von Partikelanzahl oder Partikelmasse werden dabei, je nach Gerät, Foto-akustische Ruß-Spektrometer (PASS), Kondensationspartikelzähler, (CPC) oder hochspannungsbasierte Ruß-Messgeräte (PEPA & DiSC) verwendet.In the monitoring of the exhaust gas of internal combustion engines and PEMS devices (PEMS: portable emission measurement system) are used, which are attached to the vehicle to be examined. In addition to other exhaust components, the number and mass of the particles in the exhaust gas are measured. Depending on the device, photoacoustic soot spectrometers (PASS), condensation particle counter (CPC) or high-voltage based soot measuring devices (PEPA & DiSC) are used to detect the number of particles or particle mass.

Das Prinzip der Laser Induzierten Inkandeszenz (LII) ist zur Detektion von Nanopartikeln (in Luft) bereits seit längerem bekannt und wird z.B. auch für die Charakterisierung des Verbrennungsprozesses in „gläsernen“ Motoren im Labor oder für die Abgas-Charakterisierung in Laborumgebungen intensiv angewandt. Dabei werden die Partikel mit einem Nanosekunden-Puls eines Hochleistungslasers auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt, so dass sie signifikant Temperaturstrahlung emittieren. Diese thermisch induzierte Lichtemission der Partikel wird mit einem Lichtdetektor gemessen. Die Methode erlaubt die Detektion von sehr kleinen Partikeln mit einem Durchmesser bis hinunter zu einer Größe von wenigen 10 nm. Diese Laser Induzierte Inkandeszenz bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1.The principle of laser-induced incandescence (LII) has long been known for the detection of nanoparticles (in air) and is described e.g. also extensively used for characterizing the combustion process in "glassy" engines in the laboratory or for exhaust gas characterization in laboratory environments. The particles are heated to several thousand degrees Celsius with a nanosecond pulse of a high-power laser, so that they emit significant thermal radiation. This thermally induced light emission of the particles is measured with a light detector. The method allows the detection of very small particles with a diameter down to a size of a few 10 nm. This Laser Induced Incandescence forms the preamble of claim 1.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von diesem mit Hochleistungsnanosekunden-Lasern arbeitenden Stand der Technik dadurch, dass das Lasermodul dazu eingerichtet ist, von dem Laser ausgehendes Laserlicht in einen Spot zu bündeln, und dass das Lasermodul Mittel aufweist, mit denen eine Größe des Spots steuerbar ist.The present invention differs from this state of the art high power nanosecond lasers in that the laser module is adapted to focus laser light emanating from the laser into a spot and that the laser module has means for controlling a size of the spot ,

Durch die gesteuerte Variation der Größe des Spots wird der aus dem Messgasstrom durch den Partikelsensor erfasste Querschnitt variiert. Bei geringer Konzentration wird der Spot vergrößert, wodurch möglichst viele von den dann in nur geringer Zahl vorhandenen Partikeln eingefangen werden sollen. Bei hohen Konzentrationen wird die Größe des Spots reduziert, um die Anzahl von „Doppel-Events“ (zwei Partikel gleichzeitig im Laserfokus) zu reduzieren. Die steuerbare Größe des Spots erlaubt es damit, die Empfindlichkeit und damit den Messbereich, bezogen auf die Partikelanzahlkonzentration, unter Verwendung eines kontinuierlich abstrahlenden (continuous wave) Lasers flexibel zu variieren.The controlled variation of the size of the spot varies the cross section detected from the sample gas flow through the particle sensor. At low concentrations, the spot is magnified, which is intended to capture as many of the particles as possible, which are then present in only a small number. At high concentrations, the spot size is reduced to reduce the number of "double events" (two particles at the same time in the laser focus). The controllable size of the spot thus makes it possible to flexibly vary the sensitivity and thus the measuring range, based on the particle number concentration, using a continuous-wave laser.

Die Erfindung ermöglicht sowohl die Bestimmung der Massen- (mg/m³ bzw. mg/mi) als auch der Anzahlkonzentration (Partikel/m³ oder Partikel/mi) der emittierten Partikel. Die erfindungsgemäße Partikelsensoreinheit besitzt auch die Fähigkeit zur Detektion von Einzelpartikeln in dem ein Prüfvolumen definierenden Spot, so dass auch die Partikelgröße aus den Messdaten bestimmt werden kann. Auch eine Messung der Partikelgrößenverteilung wird möglich.The invention makes it possible to determine the mass (mg / m ³ or mg / ml) as well as the number concentration (particle / m ³ or particle / mi) of the emitted particles. The particle sensor unit according to the invention also has the capability of detecting individual particles in the spot defining a test volume, so that the particle size can also be determined from the measured data. A measurement of the particle size distribution is possible.

Der Sensor kann zur On-Board-Zustandsüberwachung des Partikelfilters bei Dieselfahrzeugen und bei Benzinfahrzeugen eingesetzt werden. Es ist möglich, selbst die extrem kleinen Partikelkonzentrationen, die bei vollständig funktionsfähigem Partikelfilter stromabwärts von einem funktionsfähigen Partikelfilter eines mit Benzin betriebenen Kraftfahrzeugs, zu messen. The sensor can be used for on-board condition monitoring of the particulate filter in diesel and gasoline vehicles. It is possible to measure even the extremely small particle concentrations that occur with a fully functional particulate filter downstream of a functional particulate filter of a gasoline powered motor vehicle.

Damit eignet sich die erfindungsgemäße Partikelsensoreinheit für die On-Board Überwachung des Zustandes des Dieselpartikelfilters eines PKWs oder NKWs mit hoher Genauigkeit. Ebenso ist eine Verwendung des Sensors für andere Szenarien und Einsatzbereiche denkbar (z.B. bei Portable Emission Monitoring Systemen, Messung der Raumluftqualität, Emissionen von Verbrennungsanlagen (privat, industriell)). Die hohe Genauigkeit der Partikelmessung über einen weiten Konzentrationsbereich ist zum Beispiel auch bei einem PEMS-Gerät besonders wichtig. Der Hauptvorteil des hier vorgeschlagenen Sensors gegenüber anderen Ansätzen für die PEMS-Messungen ist die Fähigkeit eines Einzelpartikelnachweises mit den zusätzlichen Informationen über Partikelgröße und Partikelgeschwindigkeit. Hierdurch kann die sowohl die Anzahlkonzentration als auch die Massenkonzentration von Partikeln im Messgas sehr genau bestimmt werden, ohne dass dabei allzu starke/strenge Annahmen über die eigentliche Größenverteilung der Partikelverteilung(-Form) gemacht werden müssen. Der große Messbereich begünstigt den Einsatz in PEMS Anwendungen, da dort ein besonders großer Messbereich (10¹⁰-10¹⁵ Partikel pro m³) gefordert wird.Thus, the particle sensor unit according to the invention for on-board monitoring of the condition of the diesel particulate filter of a car or commercial vehicle is with high accuracy. Similarly, a use of the sensor for other scenarios and applications is conceivable (eg in portable emission monitoring systems, measurement of indoor air quality, emissions from incinerators (private, industrial)). The high accuracy of particle measurement over a wide concentration range is particularly important for a PEMS device, for example. The main advantage of the sensor proposed here over other approaches to PEMS measurements is the ability of single particle detection with the additional information on particle size and particle velocity. In this way, both the number concentration and the mass concentration of particles in the sample gas can be determined very accurately, without making too strong / strict assumptions about the actual size distribution of the particle distribution (shape). The large measuring range favors the use in PEMS applications, since a particularly large measuring range (10 ¹⁰ -10 ¹⁵ particles per m ³ ) is required there.

Außerdem besitzt die erfindungsgemäße Partikelsensoreinheit eine kurze Ansprechzeit und ist quasi sofort nach Aktivierung einsatzbereit. Durch die kurze Ansprechzeit ist die erfindungsgemäße Partikelsensoreinheit insbesondere zur Erfassung von Partikelemissionen nach einem Kaltstart von Ottomotoren geeignet. Dies ist ein großer Vorteil, da ein Großteil der bei Ottomotoren typischerweise sehr feinen Partikel (wenig Masse, hohe Anzahl) während des Kaltstarts entstehen. Da aktuell auf dem Markt verfügbare Automotive-Sensoren (On-Board) nicht in der Lage sind, die Partikelanzahl zuverlässig zu messen, ist diese Fähigkeit der erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit besonders vorteilhaft.In addition, the particle sensor unit according to the invention has a short response time and is virtually ready for use immediately after activation. Due to the short response time, the particle sensor unit according to the invention is particularly suitable for detecting particulate emissions after a cold start of gasoline engines. This is a great advantage, as most of the gasoline engines typically produce very fine particles (low mass, high number) during the cold start. Since currently available in the market automotive sensors (on-board) are not able to reliably measure the number of particles, this ability of the particle sensor unit according to the invention is particularly advantageous.

Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Mittel, mit dem eine Größe des Spots steuerbar ist, eine Multi-Mode-Laser-Diode ist. Eine solche Multi-Mode-Laser-Diode hat den Vorteil, dass ihr Strahlparameter von ihrer optischen Ausgangsleistung abhängig ist. Eine Vergrößerung der optischen Ausgangsleistung führt zu einer Vergrößerung des Strahlquerschnitts, was im Ergebnis dazu führt, dass sich die im Spot herrschende Intensität des Laserlichtes nur wenig ändert. Die Fläche des Spots passt sich dadurch automatisch der eingestellten Laserleistung an, ohne zusätzliche Hardware oder Software zu erfordern.A preferred embodiment is characterized in that the means with which a size of the spot is controllable is a multi-mode laser diode. Such a multi-mode laser diode has the advantage that its beam parameter is dependent on its optical output power. An increase in the optical output power leads to an enlargement of the beam cross-section, which results in the result that the spot intensity of the laser light changes only slightly. The area of the spot automatically adapts to the set laser power without requiring additional hardware or software.

Bevorzugt ist auch, dass das Lasermodul eine Kollimierlinse, einen Strahlteiler und eine Fokussierlinse aufweist, die in einem vom Laser zum Spot führenden Strahlengang in dieser Reihenfolge angeordnet sind und dass das Lasermodul als Mittel, mit dem eine Größe des Spots steuerbar ist, einen Verstellantrieb aufweist, mit dem die Lage oder die Form der Kollimierlinse und/oder der Fokussierlinse im Strahlengang veränderbar ist. Diese Merkmale erlauben eine gesteuerte Veränderung der Größe des Spots durch Ansteuern des Stellantriebs.It is also preferred that the laser module comprises a collimating lens, a beam splitter and a focusing lens, which are arranged in a laser beam leading to the spot beam path in this order and that the laser module as a means with which a size of the spot is controllable, having an adjusting drive with which the position or the shape of the collimating lens and / or the focusing lens in the beam path can be changed. These features allow a controlled change in the size of the spot by driving the actuator.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kollimierlinse dazu eingerichtet ist, paralleles Laserlicht zu erzeugen, und dass die Fokussierlinse dazu eingerichtet ist, von der Kollimierlinse ausgehendes paralleles Laserlicht in den Spot zu bündeln. Durch die Fokussierung wird auch bei geringer Leistung des Lasers eine für die LII erforderliche Intensität des Laserlichtes in dem Spot erreicht.A further preferred refinement is characterized in that the collimating lens is set up to generate parallel laser light, and in that the focusing lens is set up to bundle parallel laser light emanating from the collimating lens into the spot. By focusing even with low power of the laser required for the LII intensity of the laser light is achieved in the spot.

Bevorzugt ist auch, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, den Verstellantrieb anzusteuern und eine Strahlungsleistung des Lasers parallel zur Ansteuerung des Verstellantriebs so zu steuern, dass eine mit einer Veränderung der Größe des Spots einhergehende Veränderung der Intensität der in den Spot fokussierten Laserstrahlung wenigstens zu einem Teil kompensiert wird.It is also preferred that the control unit is adapted to control the adjustment drive and to control a radiation power of the laser parallel to the control of the adjustment so that a change in the intensity of the focused in the spot laser radiation with a change in the size of the spot at least to one Part is compensated.

Durch diese Merkmale wird die Intensität in einem für die Messungen ausreichend eng begrenzten Spot konstant gehalten.These features keep the intensity constant for a sufficiently narrow spot for the measurements.

Weiter ist bevorzugt, dass der Verstellantrieb einen Piezo-Aktor oder einen elektromagnetischen Aktor oder einen mit Magnetostriktion arbeitenden Aktor aufweist.It is further preferred that the adjusting drive has a piezo actuator or an electromagnetic actuator or an actuator operating with magnetostriction.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Strahlteiler im Strahlengang des parallelen Laserlichtes so angeordnet ist, dass er wenigstens einen Teil des von dem Lasermodul her einfallenden Laserlichtes auf die Fokussierlinse richtet und von dem Spot her einfallende Strahlung wenigstens zu einem Teil auf den Detektor richtet.A further preferred refinement is characterized in that the beam splitter is arranged in the beam path of the parallel laser light such that it directs at least part of the laser light incident from the laser module onto the focusing lens and radiation incident on the spot at least in part onto the beam Detector directs.

Bevorzugt ist auch, dass der Strahlteiler ein polarisierender Strahlteiler ist, und dass der polarisierende Strahlteiler so ausgerichtet ist, dass er für einfallende, eine vorbestimmte Polarisationsrichtung aufweisende Laserstrahlung maximal durchlässig ist.It is also preferred that the beam splitter is a polarizing beam splitter, and that the polarizing beam splitter is aligned so that it is maximally transparent to incident, a predetermined polarization direction having laser radiation.

Weiter ist bevorzugt, dass der Partikelsensor ein optisches Filter aufweist, das im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler und dem Detektor angeordnet ist und das für das Laserlicht weniger durchlässig ist als für von dem Spot ausgehende Temperaturstrahlung. It is further preferred that the particle sensor has an optical filter which is arranged in the beam path between the beam splitter and the detector and which is less permeable to the laser light than for temperature radiation emanating from the spot.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Laser dazu eingerichtet ist, Laserlicht mit Wellenlängen unterhalb von 500 nm, insbesondere von 405 nm, 450 nm oder 465 nm zu emittieren und dass das optische Filter so beschaffen ist, dass es Licht mit Wellenlängen unterhalb von 500 nm abschwächt oder sogar blockiert.A further preferred embodiment is characterized in that the laser is adapted to emit laser light having wavelengths below 500 nm, in particular 405 nm, 450 nm or 465 nm and that the optical filter is such that it has light with wavelengths below 500 nm attenuates or even blocks.

Bevorzugt ist auch, dass der Partikelsensor einen ersten Teil aufweist, der dazu eingerichtet ist, einem Messgas ausgesetzt zu werden, und einen dem Messgas nicht auszusetzenden zweiten Teil aufweist, der die optischen Komponenten des Partikelsensors enthält, wobei beide Teile durch eine für das Messgas undurchlässige Trennwand getrennt sind.It is also preferable that the particle sensor has a first part which is adapted to be exposed to a measurement gas and has a second part which does not expose the measurement gas and which contains the optical components of the particle sensor, both parts being separated by a gas impermeable to the measurement gas Partition are separated.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass in der Trennwand im Strahlengang des Laserlichtes ein Fenster angebracht ist, das sowohl für das Laserlicht als auch für vom Spot ausgehende Strahlung durchlässig ist.A further preferred embodiment is characterized in that in the partition wall in the beam path of the laser light, a window is mounted, which is permeable to both the laser light and emanating from the spot radiation.

Bevorzugt ist auch, dass der Partikelsensor eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr und einem inneren Schutzrohr aufweist, die beide eine allgemeine Zylinderform oder Prismenform besitzen, dass die Schutzrohre koaxial angeordnet sind, wobei die Achsen der Zylinder- oder Prismenformen parallel zur Einstrahlrichtung des Laserlichtes ausgerichtet sind und der Spot im Inneren des inneren Schutzrohrs liegt, dass das äußere Schutzrohr an seinem dem Laser zugewandten Ende über das innere Schutzrohr hinausragt und dass das innere Schutzrohr an dem entgegengesetzten Ende über das äußere Schutzrohr hinausragt. Dadurch wird eine laminare Strömung des Messgases in dem inneren Schutzrohr erzeugt, was für die Genauigkeit der Messungen günstig ist.It is also preferable that the particle sensor has an outer protective tube and inner protective tube arrangement both having a general cylindrical shape or prismatic shape such that the protective tubes are coaxially aligned with the axes of the cylinder or prism shapes parallel to the irradiation direction of the laser light and the spot is inside the inner protection tube, the outer protection tube projects beyond the inner protection tube at its laser-facing end, and the inner protection tube projects beyond the outer protection tube at the opposite end. As a result, a laminar flow of the measuring gas is generated in the inner protective tube, which is favorable for the accuracy of the measurements.

Weiter ist bevorzugt, dass der Detektor wenigstens eine Fotodiode oder eine Single-Photon-Avalanche-Diode (SPAD) oder ein SPAD array aufweist.It is further preferred that the detector has at least one photodiode or a single-photon avalanche diode (SPAD) or a SPAD array.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass zusätzliche Verstellantriebe vorgesehen sind, die eine Änderung der Position und Lage des Detektors und einer ggf. vorhandenen Fokussierlinse vor dem Detektor ermöglichen, um durch Veränderungen der Strahloptik eine auftretende Reduktion der Einsammel- bzw. Hinleitungseffizienz des LII-Lichtes zum Detektor zu kompensieren, wobei die hierfür notwendige Steuerung durch das Steuergerät erfolgt.A further preferred embodiment is characterized in that additional adjusting drives are provided which allow a change in the position and position of the detector and a possibly existing focusing lens in front of the detector in order to reduce the collection or Hinleitungseffizienz of the changes due to the radiation optics LII light to compensate for the detector, with the necessary control by the control unit.

Die Erfindung ist allgemein zur Messung von Partikelkonzentrationen (nicht notwendigerweise Rußpartikel) in Messgasen (nicht notwendigerweise Abgas) verwendbar, zum Beispiel zur Erfassung von Staubkonzentrationen. Sofern in dieser Anmeldung von Abgas und Rußpartikeln die Rede ist, soll dies jeweils als Beispiel für die allgemeineren Begriffe Partikel und Messgas verstanden werden.The invention is generally useful for measuring particulate concentrations (not necessarily soot particles) in sample gases (not necessarily exhaust gas), for example, to detect dust concentrations. If exhaust gas and soot particles are mentioned in this application, this is to be understood in each case as an example of the more general terms particles and measuring gas.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Bei der Beschreibung einzelner Figuren wird ggf. auch auf Elemente aus anderen Figuren Bezug genommen. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:

1 das auf der Laser Induzierten Inkandeszenz (LII) basierende Messprinzip;
2 einen prinzipiellen Aufbau eines Partikelsensors einer erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit;
3 ein detaillierteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit;
4 Verläufe einer Laserlichtintensität im Spot und der Leistung eines Lasers über der Größe des Spots;
5 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit des Strahlparameters (M²-Faktor) einer Multimode- Laserdiode von deren optischer Ausgangsleistung,
6 ein Lasermodul eines Ausführungsbeispiels der Erfindung; und
7 ein Lasermodul eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Further advantages will be apparent from the description and the accompanying drawings. Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. In this case, the same reference numerals in different figures denote the same or at least functionally comparable elements. When describing individual figures, reference may also be made to elements from other figures. In each case, in schematic form:

1 the laser-induced incandescence (LII) based measurement principle;
2 a basic structure of a particle sensor of a particle sensor unit according to the invention;
3 a more detailed embodiment of a particle sensor unit according to the invention;
4 Traces of a laser light intensity in the spot and the power of a laser over the size of the spot;
5 a schematic representation of the dependence of the beam parameter (M ² factor) of a multimode laser diode of the optical output power,
6 a laser module of an embodiment of the invention; and
7 a laser module of another embodiment of the invention.

Im Einzelnen zeigt 1 Laserlicht 10, das mit hoher Intensität auf ein Partikel 12 trifft. Die Intensität des Laserlichts 10 ist so hoch, dass die vom Partikel 12 absorbierte Energie des Laserlichtes 10 das Partikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt. Als Folge der Erhitzung emittiert das Partikel 12 Strahlung 14. Die Strahlung 14 kann nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz emittierte Temperaturstrahlung (Inkandeszenz) oder durch chemische Prozesse (insbesondere Oxidation) ausgelöste Strahlung sein. Die Strahlung 14 wird ohne Vorzugsrichtung emittiert. Ein Teil der Strahlung 14 wird daher auch entgegengesetzt zur Richtung des einfallenden Laserlichtes 10 emittiert. Das Spektrum dieser ist relativ breitbandig mit einem Maximum im roten Bereich (ca. 750 nm).In detail shows 1 laser light 10 that is high-intensity on a particle 12 meets. The intensity of the laser light 10 is so high that of the particle 12 absorbed energy of the laser light 10 the particle 12 heated to several thousand degrees Celsius. As a result of the heating, the particle emits 12 radiation 14 , The radiation 14 may be radiation emitted by the Planck radiation law (incandescence) or by chemical processes (in particular oxidation) triggered radiation. The radiation 14 is emitted without preferential direction. Part of the radiation 14 is therefore also opposite to the direction of the incident laser light 10 emitted. The spectrum of this is relatively broadband with a maximum in the red region (about 750 nm).

Beim Stand der Technik wird zur Erhitzung des Partikels ein Nanosekunden-Hochleistungslaser verwendet, welcher eine sehr hohe Lichtintensität für eine kurze Zeit (ns) erreicht. Der Betrieb erfolgt im kollimierten (parallel laufenden) Teil des Strahls mit einem Querschnitt von einigen Quadratzentimetern. Somit werden mit einem einzigen Laserpuls tausende von Partikeln gleichzeitig aufgeheizt.In the prior art, a nanosecond high power laser is used to heat the particle, which achieves a very high light intensity for a short time (ns). The operation takes place in the collimated (parallel) part of the beam with a cross section of a few square centimeters. Thus, with a single laser pulse thousands of particles are heated simultaneously.

Im Gegensatz dazu kann in der hier vorgestellten Erfindung ein kontinuierlich betriebener (CW)-Laser (CW: continuous wave; Dauerstrich) bei kleineren Leistungen verwendet werden, dessen Laserlicht mit entsprechenden optischen Elementen (z.B. Linsen) auf einen sehr kleinen Spot fokussiert wird. Durch diese Fokussierung ist es auch im CW-Betrieb möglich, eine Leistungsdichte im Spot zu erzielen, mit der für die LII notwendige Temperaturen erreicht werden. Bei einem Fokusdurchmesser von z.B. 10 µm kann davon ausgegangen werden, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt immer nur ein Partikel den Fokus durchfliegt (intrinsische Einzelpartikel-Detektierbarkeit), wenn man eine Partikelkonzentration von 10¹³/m³ zu Grunde legt. Die Temperaturstrahlung 14 kann mit einem Detektor, z.B. einer Fotodiode oder einer SPAD, erfasst und als Funktion der pro Zeiteinheit 100 erfassten Intensität quantifiziert werden.In contrast, in the invention presented here, a continuously operated (CW) laser (CW: continuous wave) can be used at lower powers, the laser light of which is focused with corresponding optical elements (eg lenses) onto a very small spot. This focus also makes it possible in CW operation to achieve a power density in the spot, with which the temperatures required for the LII are achieved. With a focus diameter of, for example, 10 μm, it can be assumed that only one particle at a given time passes through the focus (intrinsic single-particle detectability), if a particle concentration of 10 ¹³ / m ^{3 is used} as the basis. The temperature radiation 14 can be detected with a detector, such as a photodiode or a SPAD, and as a function of the time unit 100 intensity quantified.

2 zeigt schematisch einen prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines Partikelsensors 16 einer erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit 100. Der Partikelsensor 16 weist hier ein CW-Lasermodul 18 auf, das hier einen Laserlicht 10 emittierenden Laser 36, eine optionale, das Laserlicht 10 parallel ausrichtende oder dessen Öffnungswinkel zumindest verringernde Kollimierlinse 38 und eine das kollimierte Laserlicht 10 in einen sehr kleinen Spot 22 fokussierende Fokussierlinse 20 aufweist. Nur im Volumen des Spots 22 erreicht die Intensität des Laserlichts 10 die für LII notwendigen hohen Werte. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines CW-Lasers beschränkt. Es ist auch denkbar, gepulst betriebene Laser zu verwenden. 2 schematically shows a basic structure of an embodiment of a particle sensor 16 a particle sensor unit according to the invention 100 , The particle sensor 16 here has a CW laser module 18 on, this is a laser light 10 emitting laser 36 , an optional, the laser light 10 parallel aligning or the opening angle at least reducing collimating lens 38 and a collimated laser light 10 in a very small spot 22 focusing focusing lens 20 having. Only in the volume of the spot 22 reaches the intensity of the laser light 10 the high values necessary for LII. The invention is not limited to the use of a CW laser. It is also conceivable to use pulsed-powered lasers.

Die Abmessungen des Spots 22 liegen bevorzugt im Bereich einiger µm, insbesondere im Bereich von höchstens 200 µm, sodass den Spot 22 durchquerende Partikel 12 zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen angeregt werden, sei es durch laserinduzierte Inkandeszenz oder durch chemische Reaktionen (insbesondere Oxidation). Die Spotgröße wird bevorzugt so eingestellt, dass sich stets höchstens ein Partikel 12 in dem Spot 22 befindet und dass ein momentanes Messsignal des Partikelsensors 16 nur von diesem höchstens einen Partikel 12 stammt. Das Messsignal wird von einem Detektor 26 erzeugt, der im Partikelsensor 16 so angeordnet ist, dass er Strahlung 14 detektiert, die von den Spot 22 durchfliegenden Partikeln 12 ausgeht. Der Detektor 26 weist dazu bevorzugt wenigstens eine Fotodiode 26.1 auf. Die Einzelpartikelmessung ermöglicht die Extraktion von Informationen über das Partikel 12 wie Partikelgröße und Partikelgeschwindigkeit.The dimensions of the spot 22 are preferably in the range of a few microns, in particular in the range of at most 200 microns, so that the spot 22 traversing particles 12 be excited to the emission of evaluable radiation powers, whether by laser-induced incandescence or by chemical reactions (in particular oxidation). The spot size is preferably adjusted so that always at most one particle 12 in the spot 22 and that a momentary measurement signal of the particle sensor 16 only of this at most one particle 12 comes. The measuring signal is from a detector 26 generated in the particle sensor 16 is arranged so that he radiation 14 detected by the spot 22 flying particles 12 emanates. The detector 26 preferably has at least one photodiode 26.1 on. The single particle measurement allows the extraction of information about the particle 12 like particle size and particle velocity.

Damit lässt sich die Anzahlkonzentration der Partikel und auch die Massenkonzentration der Partikel bestimmen, ohne dass dabei allzu strenge Annahmen über die Größenverteilung der Partikel gemacht werden müssen. Die Fähigkeit zum Einzelpartikelnachweis mit den zusätzlichen Informationen über Partikelgröße und Partikelgeschwindigkeit stellt einen klaren und wichtigen Vorteil gegenüber anderen Messmethoden für die Partikelmessung dar.This makes it possible to determine the number concentration of the particles and also the mass concentration of the particles without having to make overly strict assumptions about the size distribution of the particles. The ability to detect single particles with additional information about particle size and particle velocity is a clear and important advantage over other particle measurement methods.

Es ist durchaus möglich, dass der Laser 36 des Lasermoduls 18 moduliert bzw. an- und ausgeschaltet wird (duty cycle < 100%). Bevorzugt bleibt jedoch, dass der Laser 36 des Lasermoduls 18 ein CW-Laser ist. Dies ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Halbleiter-Laser-Elementen (Laser-Dioden), was den kompletten Partikelsensor verbilligt und die Ansteuerung des Lasermoduls 18 und die Auswertung des Messsignals stark vereinfacht. Die Verwendung gepulster Laser ist aber nicht ausgeschlossen.It is quite possible that the laser 36 of the laser module 18 is modulated or switched on and off (duty cycle <100%). However, it is preferred that the laser 36 of the laser module 18 a CW laser is. This allows the use of low-cost semiconductor laser elements (laser diodes), which makes the entire particle sensor cheaper and the control of the laser module 18 and the evaluation of the measurement signal greatly simplified. The use of pulsed lasers is not excluded.

3 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit 100, die einen Partikelsensor 16 aufweist, der sich als Partikelsensor für Abgas eines Verbrennungsprozesses als Messgas 32 eignet. Über den Partikelsensor 16 hinaus weist die Partikelsensoreinheit 100 das Steuergerät 48 auf. Es ist aber auch denkbar, dass die Elemente des Sensorsteuergeräts in den Sensor am Abgasrohr integriert sind (Kompaktsensor). Andererseits ist es aber auch denkbar, dass alle optische Elemente des Sensors bis auf die Fokussierlinse 20 und das Schutzfenster 40 im Sensorsteuergerät verbaut sind und zwischen dem Strahlteiler 34 und der Fokussierlinse 20 ein optischer Lichtwellenleiter inkl. Ein- und Auskoppeloptiken angebracht ist. 3 shows an advantageous embodiment of a particle sensor unit according to the invention 100 that has a particle sensor 16 has, as a particle sensor for exhaust gas of a combustion process as a measuring gas 32 suitable. About the particle sensor 16 In addition, the particle sensor unit has 100 the control unit 48 on. However, it is also conceivable that the elements of the sensor control device are integrated in the sensor on the exhaust pipe (compact sensor). On the other hand, it is also conceivable that all optical elements of the sensor except for the focusing lens 20 and the protective window 40 are installed in the sensor control unit and between the beam splitter 34 and the focusing lens 20 an optical waveguide incl. input and Auskoppeloptiken is attached.

Der Partikelsensor 16 ist mit dem Steuergerät 48 bevorzugt über einen Kabelbaum verbunden. Der Partikelsensor 16 weist eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr 28 und einem inneren Schutzrohr 30 auf. Die beiden Schutzrohre 28, 30 haben bevorzugt eine allgemeine Zylinderform oder Prismenform. Die Grundflächen der Zylinderformen sind bevorzugt kreisförmig, elliptisch oder vieleckig. Die Zylinder sind bevorzugt koaxial angeordnet, wobei die Achsen der Zylinder quer zur Strömung von Messgas 32 ausgerichtet sind. Das innere Schutzrohr 30 ragt in Richtung der Achsen über das äußere Schutzrohr 28 hinaus in das strömende Messgas 32 hinein. An dem dem vorbeiströmenden Messgas 32 abgewandten Ende der beiden Schutzrohre 28, 30 ragt das äußere Schutzrohr 28 über das innere Schutzrohr 30 hinaus. Die lichte Weite des äußeren Schutzrohrs 28 ist bevorzugt so viel größer als der äußere Durchmesser des inneren Schutzrohrs 30, dass sich zwischen den beiden Schutzrohren 28, 30 ein erster Strömungsquerschnitt ergibt. Die lichte Weite des inneren Schutzrohrs 30 bildet einen zweiten Strömungsquerschnitt.The particle sensor 16 is with the controller 48 preferably connected via a cable harness. The particle sensor 16 has an arrangement of an outer protective tube 28 and an inner protective tube 30 on. The two protective tubes 28 . 30 preferably have a general cylindrical shape or prism shape. The bases of the cylindrical shapes are preferably circular, elliptical or polygonal. The cylinders are preferably arranged coaxially, the axes of the cylinders being transverse to the flow of sample gas 32 are aligned. The inner protective tube 30 protrudes in the direction of the axes over the outer protective tube 28 out into the flowing sample gas 32 into it. At the passing sample gas 32 opposite end of the two protective tubes 28 . 30 protrudes the outer protective tube 28 over the inner protective tube 30 out. The clear width of the outer protective tube 28 is preferably so much larger than the outer diameter of the inner protective tube 30 that is between the two protective tubes 28 . 30 a first flow cross section results. The clear width of the inner protective tube 30 forms a second flow cross section.

Diese Geometrie hat zur Folge, dass Messgas 32 über den ersten Strömungsquerschnitt in die Anordnung der beiden Schutzrohre 28, 30 eintritt, dann an dem dem vorbeiströmenden Messgas 32 abgewandten Ende der Schutzrohre 28, 30 seine Richtung ändert, in das innere Schutzrohr 30 eintritt und aus diesem vom vorbeiströmenden Messgas 32 herausgesaugt wird. Dabei ergibt sich im inneren Schutzrohr 30 eine laminare Strömung. Diese Anordnung von Schutzrohren 28, 30 wird mit dem Partikelsensor 16 quer zur Strömungsrichtung des am Partikelsensor 16 vorbeiströmenden Abgases 32 an, bzw. in einem Abgasrohr befestigt.This geometry has the consequence that measuring gas 32 over the first flow cross-section into the arrangement of the two protective tubes 28 . 30 enters, then at the gas flowing past it 32 remote end of the protective tubes 28 . 30 its direction changes into the inner protective tube 30 enters and from this from passing sample gas 32 is sucked out. This results in the inner protective tube 30 a laminar flow. This arrangement of thermowells 28 . 30 becomes with the particle sensor 16 transverse to the flow direction of the particle sensor 16 passing exhaust gas 32 attached, or in an exhaust pipe.

Der Partikelsensor 16 weist darüber hinaus das Lasermodul 18 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Lasermodul 18 einen Strahlteiler 34 auf, der im Strahlengang des Laserlichtes 10 zwischen der Kollimierlinse 38 und der Fokussierlinse 20 angeordnet ist. Ein den Strahlteiler 34 ohne Umlenkung durchlaufender Teil des Laserlichtes 10 wird durch die Fokussierlinse 20 zu einem sehr kleinen Spot 22 im Inneren des inneren Schutzrohrs 30 fokussiert. In diesem Spot 22 ist die Lichtintensität hoch genug, um die mit dem Messgas 32 transportierten Partikel auf mehrere Tausend Grad Celsius zu erhitzen, so dass die erhitzten Partikel signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung emittieren.The particle sensor 16 also has the laser module 18 on. In the illustrated embodiment, the laser module 18 a beam splitter 34 on, in the beam path of the laser light 10 between the collimating lens 38 and the focusing lens 20 is arranged. A the beam splitter 34 without deflecting part of the laser light passing through 10 is through the focusing lens 20 to a very small spot 22 inside the inner protective tube 30 focused. In this spot 22 the light intensity is high enough to match the sample gas 32 to transport transported particles to several thousand degrees Celsius, so that the heated particles significantly radiation 14 emit in the form of temperature radiation.

Die Strahlung 14 liegt zum Beispiel im nah-infraroten und sichtbaren Spektralbereich, ohne dass die Erfindung auf Strahlung 14 aus diesem Spektralbereich beschränkt ist. Ein Teil dieser ungerichtet emittierten Strahlung 14, beziehungsweise dieses LII-Lichtes, wird von der Fokussierlinse 20 erfasst und über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 gerichtet. Dieser Aufbau hat den besonders wichtigen Vorteil, dass nur ein optischer Zugang zum Messgas 32 benötigt wird, da die gleiche Optik, insbesondere das gleiche optische Element in Form der Fokussierlinse 20 für die Erzeugung des Spots 22 und für das Erfassen der vom Partikel 12 ausgehenden Strahlung 14 benutzt wird. Das Abgas ist ein Beispiel eines Messgases 32. Das Messgas kann auch ein anderes Gas oder Gasgemisch sein, zum Beispiel Raumluft.
Der Laser 36 ist bevorzugt eine Laserdiode, insbesondere eine Multi Mode Laserdiode. Der Einsatz einer Laserdiode als Laser 36 stellt eine besonders kostengünstige und einfach handhabbare Möglichkeit der Erzeugung von Laserlicht 10 dar.The radiation 14 For example, in the near-infrared and visible spectral range, without the invention being limited to radiation 14 is limited from this spectral range. Part of this undirected emitted radiation 14 , or this LII light, is from the focusing lens 20 captured and over the beam splitter 34 on the detector 26 directed. This structure has the particularly important advantage that only one optical access to the sample gas 32 is needed because the same optics, in particular the same optical element in the form of the focusing lens 20 for the production of the spot 22 and for capturing the particle 12 outgoing radiation 14 is used. The exhaust gas is an example of a measuring gas 32 , The sample gas can also be another gas or gas mixture, for example room air.
The laser 36 is preferably a laser diode, in particular a multi-mode laser diode. The use of a laser diode as a laser 36 represents a particularly cost-effective and easy to handle way of generating laser light 10 represents.

Der optische Partikelsensor 16 weist bevorzugt einen dem Abgas als Messgas 32 ausgesetzten ersten Teil 16.1 und einen dem Abgas als Messgas 32 nicht ausgesetzten zweiten Teil 16.2 auf, der die optischen Komponenten des Partikelsensors 16 enthält. Beide Teile sind durch eine Trennwand 16.3 getrennt, die zwischen den Schutzrohren 28, 30 und den optischen Elementen des Partikelsensors verläuft. Die Trennwand 16.3 dient der Isolation der empfindlichen optischen Elemente von dem ggf. heißen, chemisch aggressiven und „schmutzigen“ Abgas als Messgas 32. In der Trennwand 16.3 ist im Strahlengang des Laserlichtes 10 ein Schutzfenster 40 angebracht, durch das hindurch das Laserlicht 10 in das Abgas 32 einfällt und über das vom Spot 22 ausgehende Strahlung 14 auf die Fokussierlinse Element 20 und von da aus über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 einfallen kann.The optical particle sensor 16 preferably has a the exhaust gas as the measuring gas 32 exposed first part 16.1 and a the exhaust gas as a measuring gas 32 not exposed second part 16.2 on which the optical components of the particle sensor 16 contains. Both parts are through a partition 16.3 disconnected between the thermowells 28 . 30 and the optical elements of the particle sensor. The partition 16.3 serves the isolation of the sensitive optical elements of the possibly hot, chemically aggressive and "dirty" exhaust gas as a measuring gas 32 , In the partition 16.3 is in the beam path of the laser light 10 a protective window 40 attached, through which the laser light 10 in the exhaust 32 and from the spot 22 outgoing radiation 14 on the focusing lens element 20 and from there via the beam splitter 34 on the detector 26 can come up.

Alternativ zu dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Erzeugung des Spots 22 und das Erfassen der von Partikeln 12 im Spot 22 ausgehenden Strahlung 14 auch über getrennte optische Strahlengänge erfolgen.As an alternative to the embodiment illustrated here, the generation of the spot 22 and capturing of particles 12 in the spot 22 outgoing radiation 14 also take place via separate optical beam paths.

Es ist auch denkbar, den Spot 22 mit anderen als den hier lediglich als Ausführungsbeispiel angegebenen Linsenkombinationen zu erzeugen. Außerdem kann der Partikelsensor 16 auch mit anderen Laserlichtquellen als den hier für Ausführungsbeispiele angegebenen Laserdioden 36 verwirklicht werden.It is also conceivable the spot 22 to produce with other than the lens combinations shown here only as an exemplary embodiment. In addition, the particle sensor can 16 also with laser light sources other than the laser diodes specified here for exemplary embodiments 36 be realized.

Der Partikelsensor 16 weist bevorzugt ein Filter 42 auf, das im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler 34 und dem Detektor 26 angeordnet ist. Das Filter 42 zeichnet sich dadurch aus, dass es für das Laserlicht 10 weniger durchlässig ist als für die Strahlung 14, die vom Spot 22 ausgeht, wenn sich dort ein Partikel 12 befindet. Mit anderen Worten: Das vor dem Detektor 26 angeordnete Filter 42 filtert, bzw. sperrt den Wellenlängenbereich des Laserlichtes 10.The particle sensor 16 preferably has a filter 42 in the beam path between the beam splitter 34 and the detector 26 is arranged. The filter 42 is characterized by the fact that it is for the laser light 10 is less permeable than for the radiation 14 that from the spot 22 emanates when there is a particle 12 located. In other words, that in front of the detector 26 arranged filters 42 filters or blocks the wavelength range of the laser light 10 ,

Dieses Ausführungsbeispiel verbessert das Signal-to-Noise-Ratio des auf den Detektor 26 fallenden Lichtes deutlich, weil es die Menge an Laserlicht 10, das aufgrund von Rückreflexionen des Laserlichtes 10 an den optischen Komponenten des Partikelsensors 16 auf den Detektor 26 fallen würde, stark reduziert. Solches Laserlicht würde störende Background-Detektorsignale erzeugen, die eine Detektion der z.B. in Form von Temperaturstrahlung von Partikeln 12 im Spot 22 ausgehenden Strahlung 14 erschweren würden. Durch das Filter 42 wird der störende Background für die von Partikeln 12 z.B. in Form von Temperaturstrahlung emittierten Impulse von Strahlung 14 reduziert. Das den Filter 42 aufweisende Ausführungsbeispiel nutzt spezifisch die schmale Bandbreite von Laserquellen (z.B. Laserdioden) aus, indem genau diese schmale Bandbreite vor dem Lichtdetektor 26 ausgefiltert wird. Denkbar ist auch die Verwendung eines einfachen Kantenfilters. Das Signal-to-Noise-Ratio verbessert sich dadurch sehr stark. Besitzt der Detektor 26 nur eine kleine aktive Detektionsfläche, ist der Einsatz einer dritten, im Strahlengang vor dem Detektor 26 angeordneten Linse denkbar, was zu einem besseren Einfang des LII- Lichtes führt.This embodiment improves the signal-to-noise ratio of the detector 26 falling light clearly because it's the amount of laser light 10 that due to back reflections of the laser light 10 at the optical components of the particle sensor 16 on the detector 26 would fall, greatly reduced. Such laser light would produce disturbing background detector signals that would detect, for example, in the form of temperature radiation from particles 12 in the spot 22 outgoing radiation 14 would make it more difficult. Through the filter 42 becomes the annoying background for those of particles 12 eg in the form of temperature radiation emitted pulses of radiation 14 reduced. That's the filter 42 Specifically, the exemplary embodiment utilizes the narrow bandwidth of laser sources (eg, laser diodes) by providing just that narrow bandwidth in front of the light detector 26 is filtered out. Conceivable is also the use of a simple edge filter. The signal-to-noise ratio improves greatly. Has the detector 26 only a small active detection area, is the use of a third, in the beam path in front of the detector 26 arranged lens conceivable, resulting in a better capture of the LII light.

Bei einem Einbau des Partikelsensors 16 in einen Abgasstrang eines Verbrennungsprozesses erlaubt die mit dem Filter 42 erfolgende Ausfilterung des Anregungslichts (Laserlichtes) in Verbindung mit der fast kompletten Abwesenheit von Fremd-/Umgebungslicht im dunklen Abgasstrang die Verwendung von besonders empfindlichen Detektoren 26, z.B. von kostengünstigen SiPM (silicon photomultiplier) oder SPAD-Dioden (single-photon avalanche diode). Als Folge kann bereits ein von einem besonders kleinen Partikel 12 erzeugtes und daher extrem kleines Strahlungssignal, das beispielsweise von wenigen 10 Photonen gebildet wird, detektiert werden. Damit sinken die Abmessungen von Partikeln 12, die gerade noch nachweisbar sind, auf eine untere Nachweisgrenze von 10 bis 100 nm ab. Zum Vergleich: Moderne Dieselmotoren können Partikel emittieren, die etwa 25 nm groß sind. Das vom Detektor 26 ausgegebene Strahlungssignal wird von dem Steuergerät 48 aufbereitet, das bevorzugt auch den Laser 36 des Lasermoduls 18 steuert. Die Steuerung des Lasers 36 und die Verarbeitung des Strahlungssignale des Detektors 26 erfolgt nach Programmen, die in einem Speicher des Steuergeräts 48 gespeichert sind und die von einem Prozessor des Steuergeräts 48 abgearbeitet werden. Ein aus den Strahlungssignalen des Detektors 26 erzeugtes Ausgangssignal, das zum Beispiel die Konzentration von Partikeln 12 im Messgas 32 angibt, wird vom Steuergerät 48 an dessen Ausgang 48.1 zum Auslesen bereitgestellt.When installing the particle sensor 16 into an exhaust line of a combustion process that allows the filter 42 subsequent filtering of the excitation light (laser light) in connection with the almost complete absence of extraneous / ambient light in the dark exhaust gas line the use of particularly sensitive detectors 26 , for example, from inexpensive SiPM (silicon photomultiplier) or SPAD diodes (single-photon avalanche diode). As a result, already one of a particularly small particle 12 generated and therefore extremely small radiation signal, which is formed for example of a few 10 photons can be detected. This reduces the dimensions of particles 12 , which are just still detectable, to a lower detection limit of 10 to 100 nm from. For comparison: modern diesel engines can emit particles that are about 25 nm in size. That of the detector 26 output radiation signal is from the controller 48 prepared, which also prefers the laser 36 of the laser module 18 controls. The control of the laser 36 and the processing of the radiation signal of the detector 26 occurs after programs stored in a memory of the controller 48 are stored and that of a processor of the controller 48 be processed. One from the radiation signals of the detector 26 generated output signal, for example, the concentration of particles 12 in the sample gas 32 indicates is from the controller 48 at the exit 48.1 provided for reading.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass zusätzliche Verstellantriebe 46.1 vorgesehen sind, die eine Änderung der Position und Lage des Detektors 26 und einer ggf. zwischen Filter 42 und Detektor 26 im Strahlengang angeordneten Fokussierlinse 101 Fokussierlinse vor dem Detektor ermöglichen um durch Veränderungen der Strahloptik eine auftretende Reduktion der Einsammel- bzw. Hinleitungseffizienz des LII-Lichtes zum Detektor zu kompensieren, wobei die hierfür notwendige Steuerung durch das Steuergerät 48 erfolgt.A further preferred embodiment is characterized in that additional adjusting drives 46.1 are provided, which is a change in the position and location of the detector 26 and one between filters if necessary 42 and detector 26 arranged in the beam path focusing lens 101 Focusing lens in front of the detector allow to compensate for changes in the radiation optics occurring reduction of the collection or Hinleitungseffizienz the LII light to the detector, the necessary control by the control unit 48 he follows.

Im Folgenden wird unter Bezug auf die schematische Darstellung in 4 die Grundidee zur Optimierung des LII-basierten Partikelsensors erläutert. Für eine Einstellung der Konzentrationsempfindlichkeit wird die effektive Fläche F_22 des Spots 22, das ist die zur Strömung des Messgases 32 senkrechte Querschnittsfläche des Spots 22) entsprechend vergrößert oder verkleinert, je nachdem in welche Richtung man die Empfindlichkeit verändern möchte. Die Veränderung der Größe des Spots 22 erfolgt zum Beispiel durch steuernde Eingriffe in das optische System des Lasermoduls 18. Zur Beibehaltung einer konstanten Leistungsdichte I_22 im Spot 22 wird simultan die optische Laserleistung P_36 mit verändert (z.B. über eine gesteuerte Änderung des Laserdioden-Stromes). So ist sichergestellt, dass durch den Spot 22 fliegende Partikel immer noch ausreichend aufgeheizt werden, um ein LII Signal zu erzeugen. Dies ist vor allem bei einer Vergrößerung der Fläche des Spots 22 wichtig. Durch die Größenveränderung des Spots 22 ändert man das Messgasvolumen, welches auf Partikel „getestet“ wird und dadurch die Konzentrations-Empfindlichkeit des LII-Detektors. Bei einer geringen Partikelkonzentration wird die Querschnittsfläche des Spots 22 vergrößert, um die Wahrscheinlichkeit einer Partikeldetektion zu erhöhen. Bei sehr großen Partikelkonzentrationen hingegen, wird die Größe des Spots 22 reduziert, um die gleichzeitige Detektion zweier durch den Spot 22 fliegender Partikel zu vermeiden. Die 4 ist so zu lesen, dass sich die erwünschte Konstanz der Intensität I_22 dann einstellt, wenn bei einer erwünschten Fläche F_22 des Spots 22 der durch die Funktion P_36(F_22) zugeordnete Wert der Leistung P_36 des Lasers 36 eingestellt wird.In the following, referring to the schematic diagram in FIG 4 explains the basic idea for optimizing the LII-based particle sensor. For a concentration sensitivity setting, the effective area becomes F_22 of the spot 22 , that is the flow of the sample gas 32 vertical cross-sectional area of the spot 22 ) increases or decreases, depending on the direction in which you want to change the sensitivity. The change in the size of the spot 22 takes place, for example, by controlling interventions in the optical system of the laser module 18 , To maintain a constant power density I_22 in the spot 22 simultaneously becomes the optical laser power P_36 with changed (eg via a controlled change of the laser diode current). This ensures that through the spot 22 flying particles are still heated sufficiently to produce an LII signal. This is especially true at an increase in the area of the spot 22 important. By resizing the spot 22 changing the sample gas volume, which is "tested" on particles and thereby the concentration sensitivity of the LII detector. At a low particle concentration, the cross-sectional area of the spot becomes 22 increased to increase the likelihood of particle detection. For very large particle concentrations, however, the size of the spot 22 reduced to the simultaneous detection of two by the spot 22 to avoid flying particles. The 4 can be read so that the desired constancy of intensity I_22 then stops when at a desired area F_22 of the spot 22 the by the function P_36 ( F_22 ) associated value of the power P_36 the laser 36 is set.

Da die Partikel 12 aufgrund der ab einer Temperatur von etwa 3300K eintretenden Verdampfung nicht wesentlich heißer als eben diese 3300K werden können, ist das Maximum des LII-Signals bei gleicher Partikelgröße nicht von der Laserintensität im Spot 22 abhängig, solange die Intensität oberhalb der Verdampfungsschwelle liegt. Die Schwelle, ab der die Temperatur für eine gegebene Partikelgröße aufgrund der Verdampfung nicht weiter ansteigt liegt z.B. für 25 nm große Partikel (typische Größe für moderne Dieselmotoren) bei etwa 1e5 bis 5e5W/cm² bei einer Anregungs-Wellenlänge von 405 nm. Bei Änderung der Fokusgröße ist es also nicht zwingend notwendig, die Leistungsdichte des Lasers absolut konstant zu halten, sondern nur dafür Sorge zu tragen, dass diese innerhalb eines bestimmten Wertebereichs liegt, d.h. oberhalb der Verdampfungsschwelle und unterhalb des z.B. 10-fachen Wertes. Mit anderen Worten: Es werden sowohl die optische Laserleistung P_36 als auch die effektive Fläche F_22 des Spots 22 simultan so verändert, dass die Intensität I_22 (Leistung pro Fläche) im Spot 22 nahezu konstant bleibt. Hierdurch wird die Menge an Luft geändert, welche durch den Spot 22 strömt und auf ein Vorhandensein von Partikeln getestet wird.Because the particles 12 due to the evaporation occurring from a temperature of about 3300K not much hotter than just these 3300K can be, the maximum of the LII signal with the same particle size is not of the laser intensity in the spot 22 dependent as long as the intensity is above the evaporation threshold. The threshold at which the temperature for a given particle size due to evaporation does not increase further, for example, for 25 nm particles (typical size for modern diesel engines) at about 1e5 to 5e5W / cm ² at an excitation wavelength of 405 nm It is therefore not absolutely necessary for the focus size to keep the power density of the laser absolutely constant, but only to ensure that it lies within a certain value range, ie above the evaporation threshold and below, for example, 10 times the value. In other words, it will both the optical laser power P_36 as well as the effective area F_22 of the spot 22 simultaneously changed so that the intensity I_22 (Power per area) in the spot 22 remains almost constant. This will change the amount of air passing through the spot 22 flows and is tested for the presence of particles.

5 zeigt eine schematische Darstellung zur Abhängigkeit des Strahlparameters (M² -Faktor) einer Multimode-Laserdiode von deren optischer Ausgangsleistung P_36. Der Strahlparameter M² ist ein Maß für die Fokussierbarkeit eines Laserstrahls. Diese ist umso besser, je kleiner dieser Wert ist (Minimum: M²=1,0, idealer Strahl). Wie aus 5 abzulesen ist, erhöht sich der Strahlparameter M² mit steigender Laserleistung P_36. Damit einhergehend wächst die Größe des Spots 22 (Laserfokus) automatisch mit, so dass die Änderung der Laserintensität I_22 im Spot 22 eher schwach bis moderat ausfällt. Damit lässt sich eine besonders vorteilhafte Variante der hier vorgeschlagenen Erfindung durch den Einsatz einer eben solchen Multimode-Laserdiode realisieren. Durch eine simple Erhöhung der eingespeisten Leistung wird die Fläche des Spots 22 vergrößert und damit die Menge an Luft vergrößert, welche durch den Spot 22 strömt und auf ein Vorhandensein von Partikeln getestet wird. Die Intensität I_22 im Spot 22 ändert sich dabei nur marginal und bleibt in dem weiter oben beschriebenen tolerierbaren Wertebereich. Insgesamt stellt diese Ausführungsvariante eine besonders einfache und kostengünstige Realisierung des Konzentrationsbereich-optimierten Partikelsensors 16 dar. Der Hauptvorteil dieser Ausführung ist, dass sich die Fläche F_22 des Spots 22 ganz automatisch mit der eingestellten Laserleistung anpasst, so dass keine weitere Hard-und Software für die Konstanthaltung der Laserintensität im Spot 22 nötig ist. Das Steuergerät 48 und der als Multimode-Laserdiode verwirklichte Laser 36 sind ein Ausführungsbeispiel eines Mittels, mit denen eine Größe des Spots 22 steuerbar ist. 5 shows a schematic representation of the dependence of the beam parameter ( M ² Factor) of a multimode laser diode of its optical output power P_36 , The beam parameter M ² is a measure of the focusability of a laser beam. This is the better the smaller this value is ( Minimum: M ² = 1.0, ideal ray). How out 5 can be read, the jet parameter M ^{2 increases} with increasing laser power P_36 , Along with this, the size of the spot is growing 22 (Laser focus) automatically with, allowing the change in laser intensity I_22 in the spot 22 rather weak to moderate fails. This makes it possible to realize a particularly advantageous variant of the invention proposed here by the use of just such a multimode laser diode. By simply increasing the power input, the area of the spot becomes 22 increases and thus increases the amount of air passing through the spot 22 flows and is tested for the presence of particles. The intensity I_22 in the spot 22 changes only marginally and remains within the tolerable value range described above. Overall, this embodiment provides a particularly simple and cost-effective implementation of the concentration range-optimized particle sensor 16 The main advantage of this design is that the area F_22 of the spot 22 automatically adjusts with the set laser power, so no further hardware and software for keeping the laser intensity in the spot 22 is necessary. The control unit 48 and the realized as a multi-mode laser diode laser 36 are an embodiment of a means by which a size of the spot 22 is controllable.

Alternativ dazu kann die Fläche des Spots 22 auch über die gezielte Veränderung der optischen Eigenschaften des optischen Systems aus Kollimierlinse 38 und Fokussierlinse 20 des Lasermoduls 18 gesteuert werden. Denkbar wären hier translatorische Verschiebungen oder Verkippungen von Linsen bzw. eine Formveränderung (z.B. Linsen, welche eine elektrisch steuerbare Form haben).Alternatively, the area of the spot 22 also about the targeted change of the optical properties of the optical system made of collimating lens 38 and focusing lens 20 of the laser module 18 to be controlled. Conceivable translations would be translatory displacements or tilting of lenses or a change in shape (eg lenses which have an electrically controllable shape).

6 zeigt eine weitere Ausführung der hier vorgeschlagenen Erfindung, bei welcher die Variation der Spotfläche über eine mechanische Translation der Kollimierlinse 38 längs der optischen Achse 44 erfolgt. Im Einzelnen zeigt die 6 das Lasermodul 18 aus der 3 mit einem zusätzlichen Verstellantrieb 46, der die Translationsbewegung der Kollimierlinse antreibt und von dem Steuergerät 48 gesteuert wird. Die translatorische Verschiebung der Kollimierlinse 38 bewirkt eine Änderung des Öffnungswinkels des aus der Kollimierlinse 38 austretenden Laserlichtes 10. Daraus resultiert eine veränderte Beleuchtung der Fokussierlinse 20, was letztlich zu einem verschobenen und zum Beispiel vergrößerten Spot 22 führt. Der Verstellantrieb46 ist zum Beispiel ein Piezoaktor, ein elektromagnetischer Aktor oder ein mit Magnetostriktion arbeitender Aktor. Die mit einem Strich versehenen Bezugszeichen 22', 38' beziehen sich auf einen Zustand des optischen Systems des Lasermoduls 18 nach dem Verschieben der Kollimierlinse 38. Die Kollimierlinse 38' ist die Kollimierlinse 38 im verschobenen Zustand. Der Spot 22' geht durch die Verschiebung aus dem Spot 22 hervor. Die nicht mit einem Strich versehenen Bezugszeichen beziehen sich auf einen Zustand des optischen Systems vor dem Verschieben der Kollimierlinse 38. Parallel zu dem Steuern der Verschiebung steuert das Steuergerät 48 die optische Ausgangsleistung des Lasers 36 so, wie es unter Bezug auf die 4 und 5 erläutert worden ist. 6 shows a further embodiment of the invention proposed here, in which the variation of the spot area via a mechanical translation of the collimating lens 38 along the optical axis 44 he follows. In detail, the shows 6 the laser module 18 from the 3 with an additional adjustment drive 46 which drives the translational movement of the collimating lens and the control unit 48 is controlled. The translational displacement of the collimating lens 38 causes a change in the opening angle of the collimating lens 38 emerging laser light 10 , This results in a changed illumination of the focusing lens 20 , which ultimately leads to a postponed and, for example, enlarged spot 22 leads. The adjusting drive 46 is, for example, a piezoelectric actuator, an electromagnetic actuator or a magnetostrictive actuator. The primed reference numerals 22 ' . 38 ' refer to a state of the optical system of the laser module 18 after moving the collimating lens 38 , The collimating lens 38 ' is the collimating lens 38 in the shifted state. The spot 22 ' goes through the shift from the spot 22 out. The non-prime reference numerals refer to a state of the optical system prior to shifting the collimating lens 38 , In parallel to controlling the shift, the controller controls 48 the optical output power of the laser 36 as it is with respect to the 4 and 5 has been explained.

7 zeigt eine weitere Ausführung der hier vorgeschlagenen Erfindung, bei welcher die Variation der Fläche des Spots 22 alternativ oder ergänzend zu der translatorischen Verschiebung der Kollimierlinse 38 über eine Verkippung der Fokussierlinse 20 erfolgt. Im Einzelnen zeigt die 7 das Lasermodul 18 aus der 3 mit einem zusätzlichen Verstellantrieb 46, das die Kippbewegung der Fokussierlinse 20 antreibt und von einem Steuergerät 48 gesteuert wird. Die Kippbewegung der Fokussierlinse 20 bewirkt eine Änderung des Öffnungswinkels und der Richtung des aus der Fokussierlinse 20 austretenden Laserlichtes. Durch den kleinen Winkel zwischen dem von der Kollimierlinse her einfallenden Laserlicht 10 und der optischen Achse 50 der verkippten Fokussierlinse 20' wird das Laserlicht 10 nicht optimal fokussiert, was letztlich ebenfalls letztlich zu einem verschobenen und in seiner Größe veränderten Spot 22'(Laserfokus) führt. Der Verstellantrieb ist auch hier zum Beispiel ein Piezoaktor, ein elektromagnetischer Aktor oder ein mit Magnetostriktion arbeitender Aktor. 7 shows a further embodiment of the invention proposed here, in which the variation of the area of the spot 22 alternatively or in addition to the translational displacement of the collimating lens 38 over a tilt of the focusing lens 20 he follows. In detail, the shows 7 the laser module 18 from the 3 with an additional adjustment drive 46 indicating the tilting movement of the focusing lens 20 drives and from a control unit 48 is controlled. The tilting movement of the focusing lens 20 causes a change in the opening angle and the direction of the focusing lens 20 emerging laser light. Due to the small angle between the laser light incident from the collimating lens 10 and the optical axis 50 the tilted focusing lens 20 ' becomes the laser light 10 not optimally focused, which ultimately also ultimately leads to a shifted and in its size changed spot 22 '(laser focus). The adjusting drive is here, for example, a piezoelectric actuator, an electromagnetic actuator or an actuator operating with magnetostriction.

Die mit einem Strich versehenen Bezugszeichen beziehen sich auf einen Zustand des optischen Systems nach dem Verkippen der Fokussierlinse 20. Die nicht mit einem Strick versehenen Bezugszeichen beziehen sich auf einen Zustand des optischen Systems vor dem Verkippen der Fokussierlinse 20. Parallel zu dem Steuern der Verkippung steuert das Steuergerät die optische Ausgangsleistung des Lasers 36 so, wie es unter Bezug auf die 4 und 5 erläutert worden ist. Das Steuergerät ist in den Ausführungsbeispielen nach den 6 und 7 zum Beispiel dazu programmiert, eine Serie vorgegebener Spotgrößen einzustellen und dabei die Laserleistung jeweils parallel dazu so zu verändern, dass die im Spot herrschende Intensität des Laserlichtes innerhalb vorgegebener Grenzen bleibt. Der Verstellantrieb 46 stellt zusammen mit dem Steuergerät 48 und der Kollimierlinse 38 und oder der Fokussierlinse 20 ein Ausführungsbeispiel eines Mittels dar, mit denen eine Größe des Spots 22 steuerbar ist.The primed reference numerals refer to a state of the optical system after tilting the focusing lens 20 , The non-knotted reference numerals refer to a state of the optical system prior to tilting of the focusing lens 20 , In parallel with controlling the tilt, the controller controls the optical output power of the laser 36 as it is with respect to the 4 and 5 has been explained. The control unit is in the embodiments of the 6 and 7 For example, programmed to set a series of predetermined spot sizes and thereby change the laser power parallel to each so that the prevailing in the spot intensity of the laser light remains within predetermined limits. The adjustment drive 46 puts together with the control unit 48 and the collimating lens 38 and or the focusing lens 20 an embodiment of a means, with which a size of the spot 22 is controllable.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass das in der vorgeschlagenen Erfindung vorgestellte Verfahren zur Optimierung/Vergrößerung des Konzentrations-Messbereichs des Ruß-/Partikelsensors durch Veränderung der Größe des Laserfokus nicht auf die oben genannten Realisierungsbeispiele beschränkt ist. Diese dienen lediglich der Veranschaulichung und stellen besonders vorteilhafte Ausgestaltungen dar. Eine Veränderung der Größe des Spots kann zum Beispiel auch durch gesteuerte Veränderung einer Form der Kollimierlinse und/oder der Form der Fokussierlinse erfolgen, wenn die Form zum Beispiel elektrisch beeinflussbar ist.At this point, it should be mentioned that the method proposed in the proposed invention for optimizing / increasing the concentration measuring range of the soot / particle sensor by changing the size of the laser focus is not limited to the realization examples mentioned above. These are merely illustrative and represent particularly advantageous embodiments. For example, a change in the size of the spot may also be effected by controlled variation of a shape of the collimating lens and / or the shape of the focusing lens if the shape can be influenced electrically, for example.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass zusätzliche Verstellantriebe vorgesehen sind, die eine Änderung der Position und Lage des Detektors und der ggf. vorhandenen Fokussierlinse vor dem Detektor ermöglichen um durch die Veränderungen der Strahloptik (z.B. Verschiebung der Linsen) eine ggf. auftretende Reduktion der Einsammel- bzw. Hinleitungseffizienz des LII-Lichtes zum Detektor kompensieren. Die hierfür notwendige Steuerung erfolgt durch das Steuergerät.It is further preferred that additional adjusting drives are provided which allow a change in the position and position of the detector and the optionally present focusing lens in front of the detector in order by the changes in the beam optics (eg displacement of the lenses) a possibly occurring reduction of the collection. or to compensate for the forwarding efficiency of the LII light to the detector. The necessary control is done by the control unit.

Claims

Particle sensor unit (100) with a control unit (48) and with a particle sensor (16) having a laser (36) having a laser module (18) and a device for detecting radiation (14) equipped detector (26), characterized in that the laser module (18) is arranged to bundle laser light (10) emanating from the laser (36) into a spot (22) and has means (36; 46, 48) with which a size of the spot (22) can be controlled is.

Particle sensor unit (100) according to Claim 1 , characterized in that the means by which a size of the spot is controllable is a multi-mode laser diode.

Particle sensor unit (100) according to Claim 1 , characterized in that the laser module (18) comprises a collimating lens (38), a beam splitter (34) and a focusing lens (20) arranged in an optical path from the laser (36) to the spot (22) in that order and in that the laser module (18) has a displacement drive (46) as means with which a size of the spot can be controlled, with which the position or the shape of the collimating lens (38) and / or the focusing lens (20) in the beam path can be changed.

Particle sensor unit (100) according to Claim 3 , characterized in that the collimating lens (38) is adapted to generate parallel laser light and that the focusing lens (20) is adapted to focus parallel laser light emanating from the collimating lens (38) into the spot (22).

Particle sensor unit (100) according to Claim 3 or 4 , characterized in that the control device (48) is adapted to control the adjusting drive (46) and a radiation power of the laser) 36) parallel to the control of the adjusting drive (46) so that one with a change in the size of the spot ( 22) associated change in the intensity of the spot (22) focused laser light is at least partially compensated.

Particle sensor unit (100) according to one of Claims 3 to 5 , characterized in that the adjusting drive (46) comprises a piezo actuator or an electromagnetic actuator or an actuator operating with magnetostriction.

Particle sensor unit (100) according to one of Claims 3 to 6 in that the beam splitter (34) is arranged in the beam path of the parallel laser light so that it directs at least part of the laser light incident from the laser module (18) onto the focusing lens (20) and incident from the spot (22) Radiation directed at least in part on the detector (26).

Particle sensor unit (100) according to Claim 7 , characterized in that the beam splitter (34) is a polarizing beam splitter, and that the polarizing beam splitter is aligned so that it is maximally transparent to incident, a predetermined polarization direction having laser radiation (10).

Particle sensor unit (100) according to one of Claims 6 to 8th , characterized in that the particle sensor comprises an optical filter (42) which is arranged in the beam path between the beam splitter (34) and the detector (26) and which is less transparent to the laser light (10) than for the spot (22 ) outgoing temperature radiation (14).

Particle sensor unit (100) according to Claim 9 , characterized in that the laser is adapted to emit laser light (10) having wavelengths below 500 nm, in particular 405 nm, 450 nm or 465 nm, and that the optical filter (42) is arranged to transmit light Wavelengths below 500 nm attenuate or even block.

Particle sensor unit (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that the particle sensor (16) has a first part (16.1), which is adapted to be exposed to a measuring gas, and a non-subjecting the measuring gas second part (16.2) containing the optical components of the particle sensor (16), both parts being separated by a partition (16.3) impermeable to the sample gas.

Particle sensor unit (100) according to Claim 11 , characterized in that in the partition wall in the beam path of the laser light (10), a window (40) is mounted, which is suitable for both the laser light (10) as well as for the spot (22) outgoing radiation (14) is permeable.

Particle sensor unit (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the particle sensor (16) has an arrangement of an outer protective tube (28) and an inner protective tube (30), both of which have a general cylindrical shape or prismatic shape, such that the protective tubes (16) 28, 30) are arranged coaxially, wherein the axes of the cylinder or prism shapes are aligned parallel to the direction of irradiation of the laser light (10) and the spot (2) inside the inner protective tube (30) that the outer protective tube (28) its laser-facing end beyond the inner protective tube (30) protrudes and that the inner protective tube (28) at the opposite end beyond the outer protective tube (30) protrudes.

Particle sensor unit (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the detector (26) has at least one photodiode or a single-photon avalanche diode or a single-photon avalanche diode array.

Particle sensor unit (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that additional adjusting drives are provided, which allow a change in the position and position of the detector and in the beam path immediately in front of the detector focusing lens to a change of the radiation optics occurring reduction of collection or Hinleitungseffizienz of the LII light to compensate for the detector, wherein the necessary control is carried out by the control unit.