DE102018213932A1

DE102018213932A1 - Optische Partikelsensorvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer optischen Partikelsensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102018213932A1
Application number: DE102018213932.6A
Authority: DE
Inventors: Alexander Van Der Lee; Robert Weiss; Sören Sofke; Hans Spruit; Jens-Alrik Adrian
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Koninklijke Philips NV
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Trumpf Photonic Components GmbH
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2018-08-17
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2038-08-18
Also published as: US10935483B2; US20200056981A1; CN110836845A; DE102018213932B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Partikelsensorvorrichtung (1), mit einer optischen Emittereinrichtung (2), welche dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl N von Mess-Laserstrahlen (L_i) in eine Umgebung der optischen Partikelsensorvorrichtung (1) auszusenden; einer Detektoreinrichtung (3), welche dazu ausgebildet ist, die an Partikeln in der Umgebung der optischen Partikelsensorvorrichtung (1) gestreuten Mess-Laserstrahlen (L_i) zu detektieren und für jeden Mess-Laserstrahl (L_i) ein diesem zugeordnetes Einzelmesssignal (E_i) zu erzeugen; und einer Auswerteeinrichtung (4), welche dazu ausgebildet ist, unter Verwendung mindestens eines Einzelmesssignals (E_i) mindestens einen Partikelschätzwert für die Anzahl der Partikel pro Volumen zu ermitteln. Die Auswerteeinrichtung (4) ist dazu ausgebildet, mindestens zwei Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen zu ermitteln, die auf zumindest teilweise unterschiedlichen Einzelmesssignalen (E_i) und/oder einer unterschiedlichen Anzahl von Einzelmesssignalen (E_i) basieren, und unter Zugrundelegung zumindest eines Teils der ermittelten Partikelschätzwerte mindestens einen Ausgabewert für die Partikelbelastung zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Partikelsensorvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Partikelsensorvorrichtung. Im Speziellen betrifft die vorliegende Erfindung optische Partikelsensorvorrichtungen, welche in mobilen Vorrichtungen und insbesondere in Smartphones integriert sind, wobei die Erfindung jedoch prinzipiell auf beliebige optische Partikelsensorvorrichtungen und entsprechende Verfahren zum Betreiben derartiger optischer Partikelsensorvorrichtungen anwendbar ist.
Stand der Technik
Viele, insbesondere stark bevölkerte Regionen unterliegen einer signifikanten Belastung durch Schwebstaub. Diese Partikelbelastung wird zumindest zum Teil durch Menschen verursacht, und zwar hauptsächlich durch die Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen durch Industrie, Straßenverkehr aber auch Luftverkehr, Schiffsverkehr und Schienenverkehr sowie durch Privathaushalte. Bedingt durch die geographische Anordnung der einzelnen Schwebstaubverursacher sind große Unterschiede in der lokalen Partikelbelastung zu beobachten. Dies gilt im Außenbereich genauso wie innerhalb geschlossener Räume.
Es ist bekannt, dass Schwebstaub je nach Menge und Zusammensetzung zu Gesundheitsbeeinträchtigungen führen kann, wobei hierfür in erster Linie der einatembare Anteil des Schwebstaubs verantwortlich ist. Das individuelle Gesundheitsrisiko hängt wesentlich davon ab, wie stark und wie lange ein Individuum welcher Art von Partikelbelastung ausgesetzt ist. Deshalb besteht ein Bedarf, die lokale und jeweils aktuelle Partikelbelastung zu quantifizieren. Mit dem US „National Air Quality“-Standard for Particulate Matter (PM) wurde eine Kategorisierung von Schwebstaub in PM_x-Fraktionen eingeführt, die der Größe bzw. dem Durchmesser x der Staubteilchen Rechnung trägt und damit der Eindringtiefe dieser Staubteilchen in die Atemwege und in den Körper eines Individuums. Unterschieden wird hier insbesondere zwischen Grobstaub PM₁₀, der Partikel mit einem Durchmesser von bis zu 10 µm umfasst, Feinstaub PM_2,5 mit Partikeln eines Durchmessers von bis zu 2,5 µm und Ultrafeinstaub PM₁ mit Partikeln eines Durchmessers von bis zu 1 µm.
Die Schwebstaub- bzw. Partikelbelastung wird häufig unter Verwendung dieses PM-Standards beziffert. Dazu wird für mindestens eine der Fraktionen PM_x die innerhalb eines Zeitraums erfasste Staubpartikelmasse pro Volumen angegeben. Diese Angabe gibt die Schädlichkeit von Schwebstaub jedoch nur sehr unzureichend wieder, da die Gefährlichkeit der Staubteilchen nicht nur durch deren Größe und Gewicht bestimmt wird. Diese Eigenschaften lassen lediglich Aussagen über eine mögliche Eindringtiefe in den Körper zu. Die Toxizität der Staubteilchen wird außerdem wesentlich durch ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften bestimmt, nämlich durch ihre Oberflächenbeschaffenheit und/oder chemische Zusammensetzung. Dementsprechend gibt es auch andere Ansätze zur Quantifizierung der Schwebstaub- bzw. Partikelbelastung.
Die hier in Rede stehende Quantifizierung der Partikelbelastung beruht auf einer Erfassung der Anzahl von Staubpartikeln innerhalb eines Volumens. Unter Zugrundelegung der PM-Kategorisierung und bekannter Modelle für die Größen- und Masseverteilung von Staubpartikeln kann damit ein sehr guter Schätzwert für die Partikelbelastung in der Einheit, Staubpartikelmasse pro Volumen, ermittelt werden. Jedoch ermöglicht die Größe, Partikelanzahl pro Volumen, auch eine Quantifizierung der Partikelbelastung mit anderen Ansätzen.
Die zunehmende Sensibilisierung für die Problematik der Partikelbelastung erzeugt insbesondere in größeren Städten, welche besonders unter signifikanter Belastung durch Schwebstaub leiden, eine Nachfrage nach Möglichkeiten, eine schnelle, lokale und autonome Messung der Partikelbelastung durchzuführen. So sind neben staatlichen oder wissenschaftlichen Instituten auch Privatpersonen daran interessiert, die aktuelle Partikelbelastung an ihrem momentanen Aufenthaltsort zu erfahren. Es besteht somit Bedarf an tragbaren, miniaturisierten Sensoren zur Erfassung der Partikelbelastung.
Ein beispielhafter optischer Partikelsensor ist aus der WO 2017/198699 A1 bekannt. Der Partikelsensor umfasst ein Lasersensormodul mit mindestens zwei Lasern zum Aussenden entsprechender optischer Mess-Laserstrahlen, welche an Partikeln in der Umgebung des Partikelsensors reflektiert werden. Die reflektierten Mess-Laserstrahlen werden mittels eines gemeinsamen Detektors erfasst und entsprechende Messsignale werden ausgegeben. Das Detektionsprinzip basiert auf einem Self-Mixing-Interferenzverfahren (SMI-Verfahren), worunter zu verstehen ist, dass die reflektierten Messstrahlen mit den ausgesendeten Mess-Laserstrahlen interferieren. Die Interferenz führt zu Änderungen in den optischen und elektrischen Eigenschaften des Lasers, welche detektiert werden können und woraus Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Partikel in der Umgebung des Partikelsensors gezogen werden können.
Ein weiterer beispielhafter optischer Partikelsensor zum Detektieren von Partikeldichten kleiner Partikel mit Partikelgrößen im Bereich zwischen 0,05 µm und 10 µm ist aus der WO 2018/104153 A1 bekannt.
Partikelsensoren mit mehreren Mess-Laserstrahlen generieren für jeden Mess-Laserstrahl ein entsprechendes Messsignal, welches anschließend ausgewertet wird, um Eigenschaften der Partikel zu bestimmen. Unter bestimmten Umständen können jedoch einzelne oder mehrere Messsignale fehlerhaft sein, etwa aufgrund intrinsischer Fehler, wie dem Ausfall von Komponenten des Partikelsensors, oder aufgrund extrinsischer Fehler, wie unerwünschte Rückstreuungen oder Abschattungen durch Fremdobjekte im Lichtweg.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine optische Partikelsensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Partikelsensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 bereit.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine optische Partikelsensorvorrichtung mit einer optischen Emittereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl N von Mess-Laserstrahlen in eine Umgebung der optischen Partikelsensorvorrichtung auszusenden. Eine Detektoreinrichtung ist dazu ausgebildet, die an Partikeln in der Umgebung der optischen Partikelsensorvorrichtung gestreuten Mess-Laserstrahlen zu detektieren und für jeden Mess-Laserstrahl ein diesem zugeordnetes Einzelmesssignal zu erzeugen. Eine Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, unter Verwendung mindestens eines Einzelmesssignals mindestens einen Partikelschätzwert für die Anzahl der Partikel pro Volumen zu ermitteln. Die Auswerteeinrichtung ermittelt mindestens zwei Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen, welche auf zumindest teilweise unterschiedlichen Einzelmesssignalen und/oder einer unterschiedlichen Anzahl von Einzelmesssignalen basieren. Unter Zugrundelegung zumindest eines Teils der ermittelten Partikelschätzwerte bestimmt die Auswerteeinrichtung mindestens einen Ausgabewert für die Partikelbelastung.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Partikelsensorvorrichtung mit einer optischen Emittereinrichtung zum Aussenden einer Vielzahl N von Mess-Laserstrahlen in eine Umgebung der optischen Partikelsensorvorrichtung. Die optische Partikelsensorvorrichtung umfasst weiter eine Detektoreinrichtung zum Detektieren der an Partikeln in der Umgebung der optischen Partikelsensorvorrichtung gestreuten Mess-Laserstrahlen, wobei für jeden Mess-Laserstrahl ein diesem zugeordnetes Einzelmesssignal erzeugt wird. Die optische Partikelsensorvorrichtung umfasst schließlich eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln mindestens eines Partikelschätzwerts für die Anzahl der Partikel pro Volumen unter Verwendung mindestens eines Einzelmesssignals. Mindestens zwei Partikelschätzwerte werden für die Anzahl der Partikel pro Volumen ermittelt, welche auf zumindest teilweise unterschiedlichen Einzelmesssignalen und/oder einer unterschiedlichen Anzahl von Einzelmesssignalen basieren. Unter Zugrundelegung zumindest eines Teils der ermittelten Partikelschätzwerte wird mindestens ein Ausgabewert für die Partikelbelastung bestimmt.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung stellt eine optische Partikelsensorvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer derartigen optischen Partikelsensorvorrichtung bereit, welche es erlauben, auch beim Auftreten von intrinsischen oder extrinsischen Fehlern zuverlässige Ausgabewerte für die Partikelbelastung zu erzeugen. Eine Idee der Erfindung besteht darin, eine Plausibilitätsprüfung durchzuführen, um derartige Fehler zu erkennen. Demnach werden Partikelschätzwerte erzeugt, welche auf verschiedenen Einzelmesssignalen basieren. Hierunter ist zu verstehen, dass zur Berechnung verschiedener Partikelschätzwerte voneinander verschiedene Teilmengen der Einzelmesssignale herangezogen werden. Sind die Teilmengen gleich groß, so unterscheiden sich die enthaltenen Einzelmesssignale zumindest teilweise voneinander. Umgekehrt können die Teilmengen auch unterschiedliche Anzahlen von Einzelmesssignalen haben. Unterscheiden sich nun die Partikelschätzwerte stark voneinander, kann auf einen Fehler rückgeschlossen werden. Durch einen Vergleich mehrerer Partikelschätzwerte, vorzugsweise von mindestens drei Partikelschätzwerten, kann u.U. sogar ein fehlerhafter Partikelschätzwert identifiziert werden. Weicht etwa einer der Partikelschätzwerte stark von den restlichen Partikelschätzwerten ab, was etwa durch eine Abweichung von einem Mittelwert bestimmt werden kann, so kann dieser Partikelschätzwert als fehlerhaft oder wenig vertrauenswürdig klassifiziert werden, was bei der Berechnung des Ausgabewerts für die Partikelbelastung berücksichtigt wird. Da sich in diesem Fall auch die Einzelmesssignale, welche zur Berechnung der Partikelschätzwerte herangezogen wurden, unterscheiden, kann darüber hinaus u.U. auch das fehlerbehaftete Einzelmesssignal und der entsprechende Mess-Laserstrahl ermittelt werden.
Die Erfindung ermöglicht somit einerseits eine Art Fehlerkorrektur, sodass die Genauigkeit der ermittelten Partikelbelastung erhöht werden kann und der Partikelsensor insbesondere für mobile Anwendungen gut geeignet ist, da unvorhersehbare Störungen aufgrund sich verändernder Umgebungsbedingungen nicht zu fehlerhaften Messwerten führen. Andererseits ermöglicht die Erfindung optional eine Fehleranalyse, d.h. eine Bestimmung des mindestens einen fehlerhaften Einzelmesssignals. Dadurch ist es einfacher, entsprechende Gegenmaßnahmen zu ergreifen, etwa durch Ausgeben einer Warnung an den Benutzer, welcher extrinsische Fehlerquellen gegebenenfalls eliminieren kann und über intrinsische Fehlerquellen in Kenntnis gesetzt wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Partikelsensorvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, auf Basis der mindestens zwei Partikelschätzwerte eine Gesamtzahl der Partikel pro Volumen zu bestimmen, welche der Bestimmung des mindestens einen Ausgabewerts für die Partikelbelastung zugrunde gelegt wird. Die Gesamtzahl der Partikel pro Volumen kann beispielweise durch Mittelwertbildung der mindestens zwei Partikelschätzwerte ermittelt werden. Bei der Berechnung können einzelne Partikelschätzwerte auch ignoriert werden, falls erkannt wird, dass diese fehlerhaft sind, was etwa durch eine Berechnung der Abweichung vom Mittelwert festgestellt werden kann. Weiter können zur Berechnung der Gesamtzahl der Partikel pro Volumen die Partikelschätzwerte auch unterschiedlich gewichtet werden. Unter der Gesamtzahl der Partikel pro Volumen ist somit ein einzelner Wert zu verstehen, welcher die Anzahldichte, d.h. die Anzahl der Partikel, welche sich in einem vorgegebenen Volumen befinden, angibt. Für die tatsächliche Berechnung der Partikelbelastung wird nur dieser einzelne Wert herangezogen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Partikelsensorvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, für zumindest einen Teil der Partikelschätzwerte jeweils einen Schätzwert für die Partikelbelastung zu ermitteln und diese Schätzwerte für die Partikelbelastung der Bestimmung des mindestens einen Ausgabewerts für die Partikelbelastung zugrunde zu legen. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Partikelbelastung somit separat für mehrere Partikel schätzwerte und vorzugsweise für jeden einzelnen der Partikelschätzwerte bestimmt. Anhand dieser verschiedenen Schätzwerte wird anschließend ein einzelner Ausgabewert erzeugt und ausgegeben. Bei der Bestimmung des Ausgabewerts können wiederum Schätzwerte für die Partikelbelastung ignoriert werden, welche als fehlerhaft erkannt werden, etwa weil die Abweichung einzelner Schätzwerte für die Partikelbelastung von einem Mittelwert der Schätzwerte für die Partikelbelastung einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Darüber hinaus ist es wiederum möglich, verschiedene Schätzwerte für die Partikelbelastung zu Berechnung des Ausgabewerts für die Partikelbelastung unterschiedlich zu gewichten.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Partikelsensorvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, bei der Ermittlung der Partikelschätzwerte Zustandsinformationen zu berücksichtigen, die den Funktionszustand der Emittereinrichtung und/oder der Detektoreinrichtung in Bezug auf die Einzelmesssignale beschreiben. Die Zustandsinformationen können insbesondere einen Ausfall und/oder einen Fehler der Emittereinrichtung und/oder der Detektoreinrichtung betreffen. So kann mittels einer Sensoreinrichtung, welche ein Teil der optischen Partikelsensorvorrichtung sein kann, ein Ausfall einzelner Komponenten erkannt werden. Beispielsweise kann ein Ausfall von Lasertreibern erkannt werden, die Lasern der Emittereinrichtung zugeordnet sind, welche die einzelnen Mess-Laserstrahlen aussenden. Weiter kann ein Ausfall von Fotodioden oder von Auswerteelementen der Fotodioden detektiert werden, wobei die Fotodioden Teil der Detektoreinrichtung sind und jeweiligen Einzelmesssignalen zugeordnet sind. Mittels der Zustandsinformationen können somit intrinsische Fehler erkannt werden. Wird anhand der Zustandsinformationen erkannt, dass der Funktionszustand einzelner Komponenten der Emittereinrichtung und/oder der Detektoreinrichtung nicht optimal ist oder die Komponenten sogar vollständig ausgefallen sind, wird dies bei der Ermittlung der Partikelschätzwerte dahingehend berücksichtigt, dass lediglich Einzelmesssignale herangezogen werden, welche fehlerfrei ausgesendet und detektiert wurden. Bei geringfügigen Fehlern können die fehlerhaften Einzelmesssignale auch mit einem geringeren Gewichtungsfaktor berücksichtigt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Partikelsensorvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, auf Basis jedes einzelnen Einzelmesssignals Partikelschätzwerte zu ermitteln. Jedem Einzelmesssignal wird somit ein entsprechender Partikel schätzwert zugeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinrichtung die Partikelschätzwerte auf Basis jeder Anzahl n von unterschiedlichen Einzelmesssignalen ermitteln, wobei die Anzahl n kleiner oder gleich der Vielzahl N ist. Sendet die optische Emittereinrichtung beispielweise genau drei Mess-Laserstrahlen aus, so können Partikelschätzwerte bestimmt werden, welche auf einem einzelnen Einzelmesssignal basieren, und/oder Partikelschätzwerte, welche auf jeweils zwei Einzelmesssignalen basieren und/oder Partikelschätzwerte, welche auf allen drei Einzelmesssignalen basieren. Durch unterschiedliche Gewichtung der Einzelmesssignale kann eine beliebige Anzahl von Partikelschätzwerten erzeugt werden. Vorzugsweise können die Einzelmesssignale jedoch auch identisch gewichtet werden. In diesem Fall ergeben sich für drei Einzelmesssignale drei Partikelschätzwerte, welche jeweils einem Einzelmesssignal zugeordnet sind, drei Partikelschätzwerte, welche jeweils zwei Einzelmesssignalen zugeordnet sind, sowie ein Partikelschätzwert, welcher allen drei Einzelmesssignalen zugeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Partikelsensorvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, die ermittelten Partikelschätzwerte und/oder die ermittelten Schätzwerte für die Partikelbelastung zu vergleichen und hinsichtlich ihrer Abweichung von einem Mittelwert der ermittelten Partikelschätzwerte bzw. einem Mittelwert der Schätzwerte für die Partikelbelastung zu gewichten. Die Auswerteeinrichtung berücksichtigt nur diejenigen ermittelten Partikelschätzwerte und/oder ermittelten Schätzwerte für die Partikelbelastung bei der Bestimmung des Ausgabewerts für die Partikelbelastung, deren Abweichung vom Mittelwert ein vorgegebenes Maß nicht übersteigt. Allgemeiner kann der Gewichtungsfaktor von der Abweichung vom Mittelwert abhängen. Je größer die Abweichung ist, desto kleiner wird der Gewichtungsfaktor gewählt, um möglicherweise fehlerhafte Werte auszuschließen oder zumindest weniger stark gewichtet zu berücksichtigen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Partikelsensorvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, der Bestimmung des Ausgabewerts für die Partikelbelastung einen Mittelwert der ermittelten Partikelschätzwerte zugrunde zu legen. Aus den Partikelschätzwerten wird somit ein einzelner Gesamtschätzwert erzeugt. Alternativ oder zusätzlich kann der Bestimmung des Ausgabewerts für die Partikelbelastung ein Mittelwert der ermittelten Schätzwerte für die Partikelbelastung zugrunde gelegt werden. Die Schätzwerte für die Partikelbelastung werden somit zu einem einzelnen Wert zusammengefasst.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Partikelsensorvorrichtung weist die optische Emittereinrichtung mindestens eine Laserdiode auf. Bei der mindestens eine Laserdiode kann es sich insbesondere um einen VCSEL (englisch: vertical cavity surface emitting laser) handeln. Hierunter ist eine lichtemittierende Diode zu verstehen, bei welcher das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird. Alternativ oder zusätzlich weist die Detektoreinrichtung mindestens eine Fotodiode auf. Bevorzugt kann die mindestens eine Fotodiode in die mindestens eine Laserdiode integriert sein. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, den von der mindestens einen Fotodiode erzeugten Fotostrom als Einzelmesssignal auszuwerten, um mindestens eine Kenngröße für die Ermittlung von Partikelschätzwerten zu bestimmen. Die Kenngröße kann mindestens eines umfassen von einer maximalen Amplitude des Fotostroms, einer Frequenz, einem Signal-Rausch-Verhältnis und einem Zeitpunkt, zu welchem die Amplitude des Fotostroms einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird auf Basis der mindestens zwei Partikel schätzwerte eine Gesamtzahl der Partikel pro Volumen bestimmt. Alternativ oder zusätzlich wird für mindestens einen Teil der Partikelschätzwerte jeweils ein Schätzwert für die Partikelbelastung ermittelt. Die Gesamtzahl der Partikel pro Volumen und/oder diese Schätzwerte für die Partikelbelastung werden der Bestimmung des mindestens einen Ausgabewerts für die Partikelbelastung zugrunde gelegt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden bei der Ermittlung der Partikelschätzwerte Zustandsinformationen berücksichtigt, die den Funktionszustand der Emittereinrichtung und/oder der Detektoreinrichtung in Bezug auf die Einzelmesssignale beschreiben, wobei es sich insbesondere um einen Ausfall oder einen Fehler handeln kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die Partikelschätzwerte auf der Basis jedes einzelnen Einzelmesssignals und/oder auf der Basis jeder Anzahl n von unterschiedlichen Einzelmesssignalen ermittelt, wobei die Anzahl n kleiner oder gleich der Vielzahl N ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die ermittelten Partikelschätzwerte miteinander verglichen und/oder die ermittelten Schätzwerte für die Partikelbelastung werden miteinander verglichen. Die ermittelten Partikelschätzwerte werden hinsichtlich ihrer Abweichung von einem Mittelwert der ermittelten Partikelschätzwerte bzw. einem Mittelwert der Schätzwerte für die Partikelbelastung gewichtet. Nur diejenigen ermittelten Partikelschätzwerte und/oder ermittelten Schätzwerte für die Partikelbelastung werden bei der Bestimmung des Ausgabewerts für die Partikelbelastung berücksichtigt, deren Abweichung vom Mittelwert einen vorgegebenen Schwellenwert nicht übersteigt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird der Ausgabewert für die Partikelbelastung als Mittelwert der ermittelten Partikelschätzwerte und/oder der ermittelten Schätzwerte für die Partikelbelastung bestimmt.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Partikelsensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Schrägansicht der in 1 gezeigten optischen Partikelsensorvorri chtung;
3 eine schematische Schrägansicht der in 1 gezeigten optischen Partikelsensorvorrichtung, wobei sich ein Objekt im Strahlengang eines der von der optischen Emittereinrichtung ausgesendeten Mess-Laserstrahls befindet;
4 eine schematische Schrägansicht der in 1 gezeigten optischen Partikelsensorvorrichtung, wobei im Strahlengang eines der von der optischen Emittereinrichtung ausgesendeten Mess-Laserstrahlen die Partikel einer turbulenten Strömung unterliegen;
5 ein schematisches Blockschaltbild zur Illustration der Auswertung der Einzelmesssignale durch die Auswerteeinrichtung;
6 ein weiteres schematisches Blockschaltbild zur Illustration der Auswertung der Einzelmesssignale durch die Auswerteeinrichtung; und
7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer optischen Partikelsensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Partikelsensorvorrichtung 1. Die optischen Partikelsensorvorrichtung 1 kann bevorzugt in ein mobiles Gerät integriert sein, insbesondere in eine Oberfläche eines Smartphones oder in ein Tablett oder einen Laptop. Es ist jedoch auch möglich, dass die optische Partikelsensorvorrichtung 1 in ein mobiles oder fest installiertes Sensorgerät integriert ist, welches optional weitere zusätzliche Sensoren aufweisen kann.
Die optische Partikelsensorvorrichtung 1 weist eine optische Emittereinrichtung 2 auf, welche drei Laserdioden 21, 22, 23 umfasst. Die Laserdioden 21, 22, 23 sind als VCSELs ausgebildet und emittieren jeweilige Mess-Laserstrahlen L₁ , L₂ , L₃ . Die Mess-Laserstrahlen L₁ , L₂ , L₃ werden mittels geeigneter Linsen- und/oder Spiegeleinrichtungen in unterschiedliche Raumrichtungen ausgesendet.
Die optische Emittereinrichtung 2 ist allgemeiner dazu ausgebildet, eine Vielzahl N von Mess-Laserstrahlen auszusenden. Im einfachsten Fall sendet die optische Emittereinrichtung 2 somit genau zwei Mess-Laserstrahlen auf. Vorzugsweise ist die optische Emittereinrichtung 2 jedoch dazu ausgebildet, mindestens drei Mess-Laserstrahlen auszusenden. Die mindestens drei Mess-Laserstrahlen werden vorzugsweise in verschiedene Raumrichtungen ausgesendet. Unter Annahme eines homogenen Partikelstroms können bei Verwendung von mindestens drei Mess-Laserstrahlen die Projektionen von vektoriellen Partikeleigenschaften, etwa einer Geschwindigkeit oder Beschleunigung der Partikel des Partikelstroms, auf die verschiedenen Raumrichtungen ermittelt werden. Da sich die Raumrichtungen unterscheiden, können dadurch die vektoriellen Partikeleigenschaften vollständig rekonstruiert werden. Bei Verwendung von vier oder mehr Mess-Laserstrahlen treten gewisse Redundanzen auf, wodurch zusätzlich Plausibilisierungsprüfungen durchgeführt werden können, um die Verlässlichkeit der Ergebnisse zu verbessern.
Weiter umfasst die optische Partikelsensorvorrichtung 1 eine Detektoreinrichtung 3, welche drei Fotodioden 31, 32, 33 aufweist, die jeweils einer Laserdiode 21, 22, 23 zugeordnet und in diese integriert sind. Die optische Emittereinrichtung 2 und die Detektoreinrichtung 3 sind in einen VCSEL-Sensorchip integriert, in welchen weiter eine Self-Mixing-Interferenz-Analysefunktion integriert ist. Hierzu ist eine schematisch eingezeichnete Auswerteeinrichtung 4 vorgesehen, welche erste bis dritte Auswerteeinheiten 41, 42, 43 umfasst, welche jeweils einer Kombination aus Fotodiode 31, 32, 33 und Laserdiode 21, 22, 23 zugeordnet sind. Die Mess-Laserstrahlen L₁ , L₂ , L₃ werden an Partikeln in einem Umfeld der optischen Partikelsensorvorrichtung 1 gestreut und interferieren mit den ausgesendeten Mess-Laserstrahlen L₁ , L₂ , L₃ , wobei in den jeweiligen Fotodioden 31, 32, 33 ein Fotostrom erzeugt wird. Die ersten bis dritten Auswerteeinheiten 41, 42, 43 messen den jeweiligen Fotostrom und erzeugen entsprechende Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ .
Die Auswerteeinrichtung 4 umfasst weiter eine vierte Auswerteeinheit 44, welche mit ersten bis dritten Auswerteeinheiten 41, 42, 43 gekoppelt ist und die Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ auswertet. Die vierte Auswerteeinheit 44 erzeugt anhand der Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ Kenngrößen für die Ermittlung von Partikelschätzwerten für die Anzahl der Partikel pro Volumen. Hierunter kann eine maximale Amplitude des Fotostroms verstanden werden, eine Bestimmung der Frequenzen, ein Signal-Rausch-Verhältnis sowie ein Zeitpunkt, zu welchem die Amplitude des Fotostroms einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Anhand dieser Kenngrößen kann die vierte Auswerteeinheit 44 bestimmte Eigenschaften der Partikel bestimmen. Beispielsweise kann die vierte Auswerteeinheit 44 anhand einer Dopplerverschiebung eine Geschwindigkeit der Partikel berechnen. Weiter kann die vierte Auswerteeinheit 44 eine Verweildauer berechnen, d.h. diejenige Zeit, während welcher sich Partikel im Erfassungsbereich der Mess-Laserstrahlen L₁ , L₂ , L₃ befinden. Die vierte Auswerteeinheit 44 kann auch zusätzliche Größen wie Abstände der Partikel von der optischen Partikelsensorvorrichtung 1 bestimmen.
Anhand all dieser Größen bestimmt die vierte Auswerteeinheit 44 Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen, d.h. eine Anzahldichte der Partikel. Anhand der Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen berechnet die vierte Auswerteeinheit 44 weiter eine Partikelbelastung. Wie anfangs beschrieben kann hierzu die PM-Kategorisierung zugrunde gelegt werden. So kann die vierte Auswerteeinheit 44 anhand der Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen und unter Zuhilfenahme eines Modells, welches die Verteilung der Größen bzw. Durchmesser der Staubpartikel und die Verteilung der Masse bzw. Dichte der Staubpartikel abbildet, die entsprechende Partikelbelastung berechnen. Beispielsweise können PM_x-Werte berechnet werden, wobei nur Partikel bis zu einem bestimmten Durchmesser berücksichtigt werden, etwa die eingangs beschriebenen Grobstaub-, Feinstaub- und Ultrafeinstaubwerte.
Zur Berechnung der Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen berücksichtigt die vierte Auswerteeinheit 44 unterschiedliche Teilmengen der Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ .
In 2 ist ein erstes beispielhaftes Szenario illustriert. Ein Partikelstrom F bewegt sich in laminarer Weise, d.h. ohne Auftreten größerer Turbulenzen, d.h. Verwirbelungen oder Querströmungen, durch den Erfassungsbereich der Mess-Laserstrahlen L₁ , L₂ , L₃ . Die Partikel bewegen sich somit an sämtlichen Erfassungspunkten, an welchen die Mess-Laserstrahlen L₁ , L₂ , L₃ gestreut und reflektiert werden, mit derselben Geschwindigkeit in dieselbe Raumrichtung. Davon ist typischerweise auszugehen, falls ein Partikelstrom an einer Oberfläche entlangströmt, wie dies etwa für eine Oberfläche eines Smartphones der Fall ist, in welche die optische Partikelsensorvorrichtung 1 integriert ist.
Darüber hinaus ist in dem ersten beispielhaften Szenario davon auszugehen, dass sämtliche Einheiten der optischen Partikelsensorvorrichtung 1, d.h. insbesondere die Fotodioden 31, 32, 33 und Laserdioden 21, 22, 23 sowie die entsprechenden Auswerteeinheiten 41 bis 43 voll funktionstüchtig sind und fehlerfrei operieren. In diesem Fall wird die vierte Auswerteeinheit 44 für die unterschiedlichen Teilmengen der Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen ermitteln, welche im Wesentlichen identisch sind. Gleiches gilt für die daraus abgeleitete Partikelbelastung.
Ein einwandfreier und fehlerfreier Betrieb kann jedoch nicht stets garantiert werden. So ist in 3 ein zweites beispielhaftes Szenario illustriert, wobei sich ein störendes Objekt, etwa eine Hand H des Benutzers, im Strahlengang eines der Mess-Laserstrahlen L₁ , L₂ , L₃ befindet.
Ein weiteres Szenario ist in 4 illustriert, wobei an einem Erfassungspunkt im Strahlengang eines Mess-Laserstrahls L₁ eine Turbulenz T auftritt, sodass sich die Geschwindigkeit und die Geschwindigkeitsrichtung der Partikel an diesem Erfassungspunkt von der Geschwindigkeit und der Geschwindigkeitsrichtung in den Strahlengängen der anderen Mess-Laserstrahlen L₂ , L₃ unterscheiden.
Neben derartigen extrinsischen Fehlerquellen können auch intrinsische Fehlerquellen auftreten, etwa ein Ausfall oder Fehler einzelner Komponenten, insbesondere von Fotodioden 31, 32, 33 und/oder Laserdioden 21, 22, 23.
Falls derartige Fehlerquellen auftreten, werden sich die Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen, welche auf unterschiedlichen Einzelmesssignalen E₁ , E₂ , E₃ basieren, voneinander unterscheiden.
Eine Möglichkeit für die Erzeugung sich unterscheidender Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen ist in 5 illustriert. Demnach werden die Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ von den ersten bis dritten Auswerteeinheiten 41, 42, 43 an die vierte Auswerteeinheit 44 übermittelt.
Bei einem ersten Auswertealgorithmus 441 wird jeweils nur ein einziges Einzelmesssignal E₁ , E₂ , E₃ zur Berechnung eines Partikelschätzwerts für die Anzahl der Partikel pro Volumen herangezogen. Für jedes Einzelmesssignal E₁ , E₂ , E₃ wird somit genau ein Partikelschätzwert W1, W2, W3 für die Anzahl der Partikel pro Volumen erzeugt.
Bei einem zweiten Auswertealgorithmus 442 werden jeweils zwei Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ zur Berechnung eines Partikelschätzwerts für die Anzahl der Partikel pro Volumen herangezogen. Somit werden drei weitere Partikel schätzwerte W12, W13, W23 für die Anzahl der Partikel pro Volumen erzeugt, wobei ein erster Partikelschätzwert W12 für die Anzahl der Partikel pro Volumen auf dem ersten Einzelmesssignal E₁ und dem zweiten Einzelmesssignal E₂ basiert, ein zweiter Partikelschätzwert W13 für die Anzahl der Partikel pro Volumen auf dem ersten Einzelmesssignal E₁ und dem dritten Einzelmesssignal E₃ basiert, und ein dritter Partikelschätzwert W23 für die Anzahl der Partikel pro Volumen auf dem zweiten Einzelmesssignal E₂ und dem dritten Einzelmesssignal E₃ basiert.
Schließlich wird bei einem dritten Auswertealgorithmus 443 ein weiterer Partikelschätzwert W123 für die Anzahl der Partikel pro Volumen erzeugt, welcher auf allen drei Einzelmesssignalen E₁ , E₂ , E₃ basiert.
Bei der Berechnung eines Partikelschätzwerts für die Anzahl der Partikel pro Volumen auf der Basis mehrerer Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ können jeweilige oben beschriebene Kenngrößen, welche auf Basis der Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ erzeugt werden, gemittelt werden, um jeweils eine einzige Kenngröße zu bestimmen, welche zur Berechnung des Partikelschätzwerts für die Anzahl der Partikel pro Volumen herangezogen wird.
Die vierte Auswerteeinheit 44 ist weiter dazu ausgebildet, die Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen miteinander zu vergleichen. Hierzu kann die vierte Auswerteeinheit 44 einen Mittelwert der Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen berechnen. Falls nun einzelne Partikelschätzwerte von dem Mittelwert der Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen um einen vorgegebenen Wert abweichen oder falls ein sonstiger statistischer Parameter, etwa eine Varianz einen vorgegebenen Wert überschreitet, so erkennt die vierte Auswerteeinheit 44, dass der entsprechende Partikelschätzwert für die Anzahl der Partikel pro Volumen fehlerhaft sein kann. Die fehlerhaften Partikel schätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen können in weiteren Auswertungsschritten, d.h. zum Berechnen der Partikelbelastung ignoriert werden oder mit einer geringeren Gewichtung berücksichtigt werden. So kann gemäß einer Ausführungsform eine Gesamtzahl der Partikel pro Volumen bestimmt werden, wobei nur diejenigen Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen berücksichtigt werden, welche nicht als fehlerhaft identifiziert wurden.
Durch Identifikation von weniger vertrauenswürdigen Partikelschätzwerten für die Anzahl der Partikel pro Volumen kann die Auswerteeinheit 44 u.U. ein fehlerbehaftetes Einzelmesssignal E₁ , E₂ , E₃ erkennen. In diesem Fall kann beispielweise eine Fehlermeldung an einen Benutzer ausgegeben werden. Dem Benutzer kann optional auch die Anzahl oder auch die genaue Spezifizierung der ausgefallenen Mess-Laserstrahlen L₁ , L₂ , L₃ angezeigt werden, was eine Fehlersuche erleichtern kann. Im einfachsten Fall entfernt der Benutzer das störende Objekt, etwa seine Hand, aus dem Erfassungsbereich, wodurch ein fehlerfreier Betrieb wieder ermöglicht werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung kann die optische Partikelsensorvorrichtung auch dazu ausgebildet sein, einen Funktionszustand der Emittereinrichtung 2 und/oder Detektoreinrichtung 3 zu ermitteln, worunter insbesondere ein Ausfall oder Fehler einzelner Komponenten zu verstehen ist.
In 6 ist eine entsprechende Auswertung illustriert. Demnach übertragen die ersten bis dritten Auswerteeinheiten 41, 42, 43 zusätzlich zu den Einzelmesssignalen E₁ , E₂ , E₃ auch Zustandsinformationen an die vierte Auswerteeinheit 44. Diese kann die Verlässlichkeit der Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ anhand der Zustandsinformationen beurteilen. Den oben beschriebenen Partikelschätzwerten W1, W2, W3, W12, W13, W23, W123 werden auf Basis der Verlässlichkeit der Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ Werte R1, R2, R3, R12, R13, R23, R123 für die Verlässlichkeit zugeordnet und es wird ein entsprechendes Signal 45 ausgeben.
In 7 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer optischen Partikelsensorvorrichtung 1 illustriert, welche einer der oben beschriebenen Ausführungsformen entsprechen kann.
In einem ersten Verfahrensschritt S1 ist die optische Emittereinrichtung 2 der optischen Partikelsensorvorrichtung 1 dazu ausgebildet, eine Vielzahl N von Mess-Laserstrahlen L₁ , L₂ , L₃ in eine Umgebung der optischen Partikelsensorvorrichtung 1 auszusenden.
Die gestreuten Mess-Laserstrahlen L₁ , L₂ , L₃ werden in einem zweiten Verfahrensschritt S2 von der Detektoreinrichtung 3 detektiert.
In einem weiteren Verfahrensschritt S3 werden die Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ ausgewertet, um einen Ausgabewert für die Partikelbelastung zu bestimmen. Hierzu werden zunächst mindestens zwei Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen ermittelt, welche auf verschiedenen Teilmengen der Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ beruhen. Insbesondere können hierzu voneinander zumindest teilweise verschiedene Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ herangezogen werden, um entsprechende Partikel schätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen zu berechnen. Weiter können die Teilmengen unterschiedliche Anzahlen von Elementen aufweisen. Zur Berechnung der Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen werden anhand der Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ , welche den zeitlichen Verlauf eines Fotostroms der jeweiligen Fotodiode 31, 32, 33 umfassen können, mehrere Kenngrößen berechnet. Die Kenngrößen können insbesondere eine maximale Amplitude des Fotostroms, eine Frequenz, ein Signal-Rausch-Verhältnis und einen Zeitpunkt, zu welchem die Amplitude des Fotostroms einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, umfassen. Anhand dieser Kenngrößen können Eigenschaften der Partikel bestimmt werden, insbesondere Geschwindigkeiten, Verweildauern und Abstände der Partikel, woraus sich die Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen ermitteln lassen.
Anhand der Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen wird schließlich ein Ausgabewert für die Partikelbelastung bestimmt.
Durch Vergleich verschiedener Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen können extrinsische und intrinsische Fehlerquellen erkannt werden, insbesondere falls statistische Abweichungen einzelner Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen auftreten. In diesem Fall können u.U. fehlerbehaftete Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ identifiziert werden. Diese Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ und die darauf basierenden Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen werden für weitere Auswerteschritte ignoriert oder lediglich schwach gewichtet. Die Gewichtung kann im Allgemeinen von einer statistischen Abweichung, etwa vom Mittelwert oder Median der Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen abhängen. Alternativ kann auch lediglich der verlässlichste Partikelschätzwert zur Berechnung der Partikelbelastung herangezogen werden.
Zusätzlich kann der Funktionszustand der Emittereinrichtung 2 und/oder der Detektoreinrichtung 3 berücksichtigt werden, wobei Einzelmesssignale E₁ , E₂ , E₃ , welche auf fehlerhaften oder ausgefallenen Komponenten beruhen, ignoriert werden oder zumindest lediglich schwach gewichtet werden. Zur Erkennung von fehlerhaften oder ausgefallenen Komponenten können zusätzliche Sensorelemente der optischen Partikelsensorvorrichtung 1 vorgesehen sein.
Zum Berechnen der Partikelbelastung wird vorzugsweise eine Mittelwertbildung über bestimmte Werte durchgeführt. Beispielweise kann anhand der Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen eine Gesamtzahl der Partikel pro Volumen bestimmt werden, d.h. ein einziger Wert für die Partikel pro Volumen. Anhand dieser Gesamtzahl der Partikel pro Volumen wird schließlich ein einziger Ausgabewert für die Partikelbelastung bestimmt.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann für jeden Partikelschätzwert für die Anzahl der Partikel pro Volumen ein entsprechender Schätzwert für die Partikelbelastung ermittelt werden. Am Ende des Verfahrens wird ein Ausgabewert für die Partikelbelastung durch Mittelwertbildung der Schätzwerte für die Partikelbelastung erzeugt.
Auch Hybridformen sind möglich, wonach zuerst über mehrere Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen gemittelt wird, um mehrere Gesamtzahlen der Partikel pro Volumen zu bestimmen. Für jede der Gesamtzahlen der Partikel pro Volumen oder für Teilmengen der Gesamtzahlen der Partikel pro Volumen werden entsprechende Schätzwerte für die Partikelbelastung ermittelt und anschließend durch Mittelung dieser Werte ein Ausgabewert für die Partikelbelastung bestimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2017/198699 A1 [0007]
WO 2018/104153 A1 [0008]

Claims

Optische Partikelsensorvorrichtung (1), mit: einer optischen Emittereinrichtung (2), welche dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl N von Mess-Laserstrahlen (L_i) in eine Umgebung der optischen Partikelsensorvorrichtung (1) auszusenden; einer Detektoreinrichtung (3), welche dazu ausgebildet ist, die an Partikeln in der Umgebung der optischen Partikelsensorvorrichtung (1) gestreuten Mess-Laserstrahlen (L_i) zu detektieren und für jeden Mess-Laserstrahl (L_i) ein diesem zugeordnetes Einzelmesssignal (E_i) zu erzeugen; und einer Auswerteeinrichtung (4), welche dazu ausgebildet ist, unter Verwendung mindestens eines Einzelmesssignals (E_i) mindestens einen Partikel schätzwert für die Anzahl der Partikel pro Volumen zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, a. mindestens zwei Partikelschätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen zu ermitteln, die auf zumindest teilweise unterschiedlichen Einzelmesssignalen (E_i) und/oder einer unterschiedlichen Anzahl von Einzelmesssignalen (E_i) basieren, und b. unter Zugrundelegung zumindest eines Teils der ermittelten Partikelschätzwerte mindestens einen Ausgabewert für die Partikelbelastung zu bestimmen.
Optische Partikelsensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, auf Basis der mindestens zwei Partikelschätzwerte eine Gesamtzahl der Partikel pro Volumen zu bestimmen, die der Bestimmung des mindestens einen Ausgabewerts für die Partikelbelastung zugrunde gelegt wird.
Optische Partikelsensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, für zumindest einen Teil der Partikel schätzwerte jeweils einen Schätzwert für die Partikelbelastung zu ermitteln und diese Schätzwerte für die Partikelbelastung der Bestimmung des mindestens einen Ausgabewerts für die Partikelbelastung zugrunde zu legen.
Optische Partikelsensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, bei der Ermittlung der Partikelschätzwerte Zustandsinformationen zu berücksichtigen, die den Funktionszustand der Emittereinrichtung (2) und/oder der Detektoreinrichtung (3) in Bezug auf die Einzelmesssignale (E_i) beschreiben, insbesondere einen Ausfall oder einen Fehler.
Optische Partikelsensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, Partikelschätzwerte zu ermitteln a. auf der Basis jedes einzelnen Einzelmesssignals (E_i) und/oder b. auf der Basis jeder Anzahl n von unterschiedlichen Einzelmesssignalen (E_i), wobei die Anzahl n kleiner oder gleich der Vielzahl N ist (n ≤ N).
Optische Partikelsensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, a. die ermittelten Partikelschätzwerte und/oder die ermittelten Schätzwerte für die Partikelbelastung zu vergleichen und hinsichtlich ihrer Abweichung von einem Mittelwert der ermittelten Partikelschätzwerte bzw. einem Mittelwert der Schätzwerte für die Partikelbelastung zu gewichten und b. nur die ermittelten Partikelschätzwerte und/oder ermittelten Schätzwerte für die Partikelbelastung bei der Bestimmung des Ausgabewerts für die Partikelbelastung zu berücksichtigen, deren Abweichung vom Mittelwert ein vorgegebenes Maß nicht übersteigt.
Optische Partikelsensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, der Bestimmung des Ausgabewerts für die Partikelbelastung einen Mittelwert der ermittelten Partikelschätzwerte und/oder der ermittelten Schätzwerte für die Partikelbelastung zugrunde zu legen.
Optische Partikelsensorvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, a. wobei die optische Emittereinrichtung (2) mindestens eine Laserdiode (21, 22, 23), insbesondere einen VCSEL, aufweist und/oder die Detektoreinrichtung (3) mindestens eine Fotodiode (31, 32, 33) aufweist, insbesondere mindestens ein Fotodiode (31, 32, 33), welche in die mindestens eine Laserdiode (21, 22, 23) integriert ist, b. wobei die Auswerteeinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, den von der mindestens einen Fotodiode (31, 32, 33) erzeugten Fotostrom als Einzelmesssignal (E_i) auszuwerten, um mindestens eine Kenngröße für die Ermittlung von Partikelschätzwerten zu bestimmen, insbesondere eine maximale Amplitude des Fotostroms, eine Frequenz, ein Signal-Rausch-Verhältnis und einen Zeitpunkt, zu welchem die Amplitude des Fotostroms einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Verfahren zum Betreiben einer optischen Partikelsensorvorrichtung (1) a. mit einer optischen Emittereinrichtung (2) zum Aussenden einer Vielzahl N von Mess-Laserstrahlen (L_i) in eine Umgebung der optischen Partikelsensorvorrichtung (1), b. mit einer Detektoreinrichtung (3) zum Detektieren der an Partikeln in der Umgebung der optischen Partikelsensorvorrichtung (1) gestreuten Mess-Laserstrahlen (L_i), wobei für jeden Mess-Laserstrahl (L_i) ein diesem zugeordnetes Einzelmesssignal (E_i) erzeugt wird; und c. mit einer Auswerteeinrichtung (4) zum Ermitteln mindestens eines Partikelschätzwerts für die Anzahl der Partikel pro Volumen unter Verwendung mindestens eines Einzelmesssignals (E_i); dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Partikel schätzwerte für die Anzahl der Partikel pro Volumen ermittelt werden, die auf zumindest teilweise unterschiedlichen Einzelmesssignalen (E_i) und/oder einer unterschiedlichen Anzahl von Einzelmesssignalen (E_i) basieren, und dass unter Zugrundelegung zumindest eines Teils der ermittelten Partikelschätzwerte mindestens ein Ausgabewert für die Partikelbelastung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der mindestens zwei Partikel schätzwerte eine Gesamtzahl der Partikel pro Volumen bestimmt wird, und/oder dass für zumindest einen Teil der Partikel schätzwerte jeweils einen Schätzwert für die Partikelbelastung ermittelt wird und dass die Gesamtzahl der Partikel pro Volumen und/oder diese Schätzwerte für die Partikelbelastung der Bestimmung des mindestens einen Ausgabewerts für die Partikelbelastung zugrunde gelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Partikelschätzwerte Zustandsinformationen berücksichtigt werden, die den Funktionszustand der Emittereinrichtung und/oder der Detektoreinrichtung in Bezug auf die Einzelmesssignale (E_i) beschreiben, insbesondere einen Ausfall oder einen Fehler.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel schätzwerte ermittelt werden a. auf der Basis jedes einzelnen Einzelmesssignals (E_i) und/oder b. auf der Basis jeder Anzahl n von unterschiedlichen Einzelmesssignalen (E_i), wobei die Anzahl n kleiner oder gleich der Vielzahl N ist (n ≤ N).
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Partikelschätzwerte miteinander verglichen werden und/oder die ermittelten Schätzwerte für die Partikelbelastung miteinander verglichen werden, dass die ermittelten Partikelschätzwerte hinsichtlich ihrer Abweichung von einem Mittelwert der ermittelten Partikel schätzwerte bzw. einem Mittelwert der Schätzwerte für die Partikelbelastung gewichtet werden und dass nur die ermittelten Partikelschätzwerte und/oder ermittelten Schätzwerte für die Partikelbelastung bei der Bestimmung des Ausgabewerts für die Partikelbelastung berücksichtigt werden, deren Abweichung vom Mittelwert ein vorgegebenes Maß nicht übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgabewert für die Partikelbelastung als Mittelwert der ermittelten Partikelschätzwerte und/oder der ermittelten Schätzwerte für die Partikelbelastung bestimmt wird.