DE102018218734A1

DE102018218734A1 - Optischer Partikelsensor, insbesondere Abgassensor

Info

Publication number: DE102018218734A1
Application number: DE102018218734.7A
Authority: DE
Inventors: Enno Baars; Martin Buchholz; Radoslav Rusanov; Johannes Weber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2020-04-30
Also published as: WO2020088843A1; KR20210083268A; US20210372886A1; JP7137009B2; JP2022506195A; US11761854B2; EP3874253A1; CN113039426A

Abstract

Partikelsensor zum Nachweis von Partikeln in einer Strömung eines Messgases, insbesondere zum Nachweis von Rußpartikeln in einem Abgaskanal eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine, mit Mitteln zur Erzeugung oder zur Zuführung von Laserlicht (10) und mit Mitteln zur Fokussierung von Laserlicht (10) und mit Mitteln zur Detektion oder zur Weiterleitung von Temperaturstrahlung, wobei der Partikelsensor (16) zumindest einen optischen Zugang (40) aufweist, der einen dem Messgas ausgesetzten Bereich (16.1) von einem dem Messgas abgewandten Bereich (16.2), der nicht dem Messgas ausgesetzt ist, trennt, wobei die Mittel zur Erzeugung oder zur Zuführung von Laserlicht (10) und/oder die Mittel zur Detektion oder zur Weiterleitung von Temperaturstrahlung in dem dem Messgas abgewandten Bereich (16.2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsensor (16) der Messgasströmung eine Teilströmung (321) entnimmt und dem Laserfokus (22) zuführt und ferner den optischen Zugang (40) gegenüber der Teilströmung (321) fluidisch abschirmt.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelsensor zum Nachweis von Partikeln in einer Strömung eines Messgases, insbesondere einen Sensor zum Nachweis von Rußpartikeln in einem Abgaskanal eines Brenners oder einer selbstzündenden oder fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wie er beispielsweise zum Zwecke der On-Board-Diagnose eines entsprechenden Rußpartikelfilters zum Einsatz kommen kann. Auch andere Einsatzgebiete sind selbstverständlich möglich, beispielsweise portable Systeme zum Monitoring von Emissionen und Systeme zur Messung von Raumluftqualität.
Beispielsweise die nachveröffentlichte DE10 2017 207 402 A1 der Anmelderin hat einen Rußpartikelsensor mit einem einen Laser aufweisenden Lasermodul und mit einem zur Detektion von Temperaturstrahlung eingerichteten Detektor zum Gegenstand. Der dort vorgestellte Rußpartikelsensor zeichnet sich dadurch aus, dass der Laser dazu eingerichtet ist, Laserlicht erzeugen, und dass der Rußpartikelsensor ein im Strahlengang des Lasers angeordnetes optisches Element aufweist, das dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul ausgehendes Laserlicht in einen Spot zu bündeln, und dass der Detektor im Rußpartikelsensor so angeordnet ist, dass er vom Spot ausgehende Strahlung detektiert.
Der in der nachveröffentlichten DE10 2017 207 402 A1 der Anmelderin vorgestellte Sensor beruht auf dem Messprinzip der laserinduzierten I nkandeszenz.
In der nachveröffentlichten DE10 2017 207 402 A1 der Anmelderin wird ferner auch vorgeschlagen, dass der Russpartikelsensor in einen ersten Teil, der dazu eingerichtet ist, einem Messgas ausgesetzt zu werden, und in einen dem Messgas nicht auszusetzenden zweiten Teil, der die optischen Komponenten des Rußpartikelsensors enthält, unterteilt ist, wobei beide Teile durch eine für das Messgas undurchlässige Trennwand getrennt sind, und 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.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Beobachtung der Erfinder, dass bei einem Partikelsensor der optische Zugang des Partikelsensors über dessen Lebensdauer verschmutzen kann. Es hat sich dabei herausgestellt, dass unter ungünstigen Umständen die Verschmutzung soweit fortschreiten kann, dass eine ausreichende Transparenz des optischen Zugangs für Laserlicht und Temperaturstrahlung nicht mehr gewährleistet ist und der Partikelsensor nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass der Partikelsensor der Messgasströmung eine Teilströmung entnimmt und dem Laserfokus zuführt und ferner den optischen Zugang gegenüber der Teilströmung fluidisch abschirmt. Auf diese Weise wird dem Laserfokus, also dem eigentlichen Ort der Partikeldetektion, eine Teilströmung, die hinsichtlich ihres Partikelgehalts repräsentativ für die Messgasströmung ist, zugeführt. Der optische Zugang jedoch ist von der Messgasströmung sowie auch der Teilströmung abgeschirmt, d.h. er wird von diesen nicht angeströmt und gegebenenfalls in ihnen enthaltene Verschmutzungen, beispielsweise Rußpartikel, können ihn nicht erreichen. Eine Verschmutzung des optischen Zugangs tritt über Lebensdauer daher nicht mehr oder nur noch in tolerierbarem Umfang auf, und die Lebensdauer des Partikelsensors ist insofern nicht beschränkt bzw. wesentlich erhöht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Nachweis von Partikeln insbesondere eine Messung verstanden, deren Ergebnis die Masse und/oder die Anzahl der Partikel und/oder die Masse und/oder die Anzahl der Partikel in einer Strömung pro Zeiteinheit, insbesondere am Ort des Laserfokusses, ist. Auch die Gewinnung von Informationen, die die Größe und/oder die Größenverteilung der Partikel betreffen, kann von dem Nachweis von Partikeln umfasst sein.
Unter Mitteln zur Erzeugung von Laserlicht wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Laser, beispielsweise ein Diodenlaser, verstanden, insbesondere ein cw-Laser, dessen Ausgangsleistung und Fokussierbarkeit so hoch ist, dass er Rußpartikel zur Emission von thermischer Strahlung anzuregen vermag, beispielsweise bei über 3500 K.
Unter Mitteln zur Zuführung von Laserlicht wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine optische Faser verstanden, die für das betreffende Laserlicht transparent ist, und/oder ein optisches Fenster verstanden, das für das Laserlicht transparent ist. Das Laserlicht kann grundsätzlich ultraviolett, sichtbar oder infrarot sein.
Unter Mitteln zur Fokussierung von Laserlicht wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Sammellinse verstanden, die für das betreffende Laserlicht transparent ist. Alternativ könnte es sich auch um einen Hohlspiegel handeln.
Unter Mitteln zur Weiterleitung von Temperaturstrahlung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine optische Faser verstanden, die für die betreffende Temperaturstrahlung transparent ist, und/oder ein optisches Fenster verstanden, das für die betreffende Temperaturstrahlung transparent ist. Unter Temperaturstrahlung wird im Rahmen der vorliegend Erfindung insbesondere verstanden: elektromagnetische Strahlung, entsprechend der Emission heißer Körper, beispielsweise inkohärente infrarote und/oder sichtbare Strahlung.
Unter einem optischen Zugang wird im Rahmen der Erfindung insbesondere eine optische Faser oder ein optisches Fenster verstanden. Der optische Zugang kann insbesondere gleichzeitig die Funktion des Mittels zur Fokussierung von Laserlicht erfüllen, er kann beispielsweise als Sammellinse ausgebildet sein.
Unter der Entnahme einer Teilströmung aus der Messgasströmung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden, dass ein Teil der Messgasströmung, nämlich die Teilströmung, in das Innere des Partikelsensors gelenkt wird, während der verbleibende andere Teil der Messgasströmung an dem Partikelsensor vorbeiströmt, ohne in sein Inneres zu gelangen. Die Teilströmung kann sich auch aus mehreren Einzelströmungen zusammensetzen, die getrennt voneinander in das Innere des Partikelsensors gelangen.
Im Rahmen der Erfindung können Eintrittsöffnungen und Überströmöffnungen beispielsweise Durchmesser von 1-3mm aufweisen oder bei nicht kreisrunder Geometrie entsprechende Querschnittsflächen aufweisen.
Unter der fluidischen Abschirmung des optischen Zugangs gegenüber der Teilströmung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine strömungstechnische Abschirmung verstanden, also verstanden, dass die Teilströmung so abgelenkt wird, dass sie nicht auf den optischen Zugang trifft, oder, mit anderen Worten, dass vor dem optischen Zugang ein von der Teilströmung nicht durchströmter Bereich verbleibt. Dies kann insbesondere darin zum Ausdruck kommen, dass der nicht durchströmte Bereich im Sinne der Transportphänomene ein diffusionsdominiertes Strömungsgebiet darstellt, im Unterschied zu dem durchströmten Gebieten im Inneren des Sensors, die insofern insbesondere als konvektionsdominierte Strömungsgebiete anzusprechen sind.
Die fluidische Abschirmung des optischen Zugangs kann durch besondere konstruktive Maßnahmen erfolgen, die nachfolgend und in den Unteransprüchen und in den Ausführbeispielen exemplarisch aber nicht abschließend erläutert sind.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Partikelsensor ein beispielsweise metallisches Gehäuse aufweist, in oder an dem der optische Zugang angeordnet ist, und dass das Gehäuse zumindest eine Eintrittsöffnung aufweist, durch die der Strömung des Messgases eine Teilströmung entnehmbar und in das Innere des Gehäuses einführbar ist, und dass das Gehäuse zumindest eine Austrittsöffnung aufweist, durch die die Teilströmung das Gehäuse verlässt, und dass im Inneren des Gehäuses eine Abschirmung vorgesehen ist, die die Teilströmung in eine von dem optischen Zugang weggerichtete Richtung umlenkt, also insbesondere durch die Umlenkung verhindert, dass der optische Zugang von der Teilströmung getroffen wird und/oder bewirkt, dass der optische Zugang von der Teilströmung nicht getroffen wird.
Die Umlenkung der Teilströmung zum Zwecke der Abschirmung des optischen Zugangs erfolgt also insbesondere aus einer auf den optischen Zugang hin gerichteten Richtung in eine von dem optischen Zugang weggerichtete Richtung, wobei die Teilströmung den optischen Zugang beaufschlagt hätte, wenn nicht die die Umlenkung bzw. die Abschirmung bewirkende Maßnahme vorgesehen wäre.
Die Umlenkung kann insbesondere aus einer von der Eintrittsöffnung auf den optischen Zugang hin gerichteten Richtung in eine von dem optischen Zugang weg zu der Austrittsöffnung gerichteten Richtung erfolgen.
Die Umlenkung kann insbesondere aus einer von einer Überströmöffnung (siehe unten) auf den optischen Zugang hin gerichteten Richtung in eine von dem optischen Zugang weg zu der Austrittsöffnung gerichteten Richtung erfolgen.
In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse des Partikelsensors einen Gehäusekörper aufweist und ein an dem Gehäusekörper befestigtes Schutzrohrmodul aufweist.
Der Gehäusekörper kann beispielsweise ein massives, in seinem Inneren einen Durchgangskanal aufweisendes Stahlteil sein, das insbesondere ein Gewinde, beispielsweise ein Außengewinde, und ein Montageprofil, beispielsweise ein Außensechskantprofil, aufweist. Auch eine zweiteilige Ausbildung des Gehäusekörpers, bei dem auf eine Gehäusekörper-Hülse eine das Gewinde und das Montageprofil aufweisende Überwurfmutter/Überwurfschraube aufgeschoben ist, ist möglich.
Das Schutzrohrmodul kann beispielsweise mehrere Schutzrohre aufweisen, die beispielsweise aus Stahlblech gefertigt sind, und von denen zumindest eines oder alle an dem Gehäusekörper befestigt sind, beispielsweise angeschweißt sind und/oder in den Gehäusekörper eingesteckt sind. Die Schutzrohre können auch untereinander verschweißt oder ineinandergesteckt, insbesondere verpresst, sein
Auch eine einteilige Ausbildung des Gehäusekörpers mit dem Schutzrohrmodul ist vorteilhaft.
In Weiterbildung zur Vorsehung eines Schutzrohrmoduls ist vorgesehen, dass das Schutzrohrmodul zumindest eine Eintrittsöffnung aufweist, durch die der Strömung des Messgases eine Teilströmung entnehmbar und in das Innere des Schutzrohrmoduls einführbar ist, und zumindest eine Austrittsöffnung aufweist, durch die die Teilströmung das Schutzrohrmodul verlässt.
Die Eintrittsöffnung bzw. die Eintrittsöffnungen und die Austrittsöffnung bzw. die Austrittsöffnungen und eine Überströmöffnung bzw. Überströmöffnungen (siehe unten) können als Löcher im Schutzrohrmodul bzw. in den einzelnen Schutzrohren ausgebildet sein. Hinzukommen können jeweils Drallklappen, die insbesondere starre Ausformungen am Schutzrohrmodul bzw. an einem Schutzrohr sind und die die Teilströmung beim Durchströmen der Löcher in eine vorgegebene Richtung leiten und/oder umlenken. Die Kombination aus einem Loch mit einer Drallklappe kann beispielsweise durch ein bereichsweises Einschneiden und Eindrücken im Schutzrohrmodul bzw. in den einzelnen Schutzrohren hergestellt sein.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass im Inneren des Schutzrohrmoduls eine Abschirmung vorgesehen ist, durch die die fluidische Abschirmung des optischen Zugangs gegenüber der Teilströmung, insbesondere wie oben erläutert, erfolgt. Durch die fluidische Abschirmung erfolgt also insbesondere eine Umlenkung der Teilströmung in eine von dem optischen Zugang weggerichtete Richtung. In Abwesenheit der Abschirmung hätte die Teilströmung den optischen Zugang insbesondere beaufschlagt und in der Teilströmung enthaltene Partikel hätten insbesondere den optischen Zugang möglicherweise verschmutzt.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung weist das Schutzrohrmodul zumindest zwei Schutzrohre auf, nämlich ein erstes Schutzrohr und ein zweites Schutzrohr.
Dabei kann das erste Schutzrohr zumindest eine Eintrittsöffnung aufweisen, durch die der Strömung des Messgases eine Teilströmung entnehmbar und in das Innere des Schutzrohrmoduls einführbar ist.
Dabei kann das zweite Schutzrohr im Inneren des ersten Schutzrohrs angeordnet sein, sodass zwischen dem ersten und dem zweiten Schutzrohr ein Ringraum ausgebildet ist. Das erste und das zweite Schutzrohr können als Grundform (also abgesehen von Löchern, Drallklappen und fertigungsbedingten, geringfügigen Maßabweichungen) eine axiale Symmetrie aufweisen und insofern konzentrisch oder koaxial zueinander angeordnet sein.
Weiterhin kann das zweite Schutzrohr zumindest eine Überströmöffnung aufweisen, durch die die Teilströmung aus dem Ringraum in einen im Inneren des zweiten Schutzrohrs angeordneten Gasraum strömt.
Die Austrittsöffnung kann am ersten oder am zweiten Schutzrohr ausgebildet sein, insbesondere an einer von dem optischen Zugang messgasseitig gelegenen Stirnseite des Partikelsensors. Es kann sich insbesondere um eine einzige Austrittsöffnung handeln.
In diesem Zusammenhang ist insbesondere ein Mittel vorgesehen, das die Teilströmung bei dem oder in Anschluss an das Durchströmen der Überströmöffnung in eine von dem optischen Zugang weg und insbesondere zu der Austrittsöffnung hin gerichteten Richtung umlenkt. Dieses Mittel entspricht insbesondere der oben bereits erwähnten fluidischen Abschirmung. Auf die entsprechenden Erläuterungen wird verwiesen.
Ein derartiges Mittel, das die Teilströmung bei dem oder in Anschluss an das Durchströmen der Überströmöffnung in eine von dem optischen Zugang weg und insbesondere zu der Austrittsöffnung hin gerichteten Richtung umlenkt, kann auf unterschiedliche Art und Weise realisiert sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist dieses Mittel realisiert durch zumindest eine an der Überströmöffnung des zweiten Schutzrohrs ausgebildete Drallklappe, die in eine von dem optischen Zugang weg und insbesondere zu der Austrittsöffnung hin gerichteten Richtung weist. Die Teilströmung tritt hier also bereits mit einer von dem optischen Zugang weggerichteten Richtung in den Gasraum ein. Sie beaufschlagt daher den optischen Zugang nicht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist dieses Mittel realisiert durch ein drittes Schutzrohr, das in dem zweiten Schutzrohr angeordnet ist. Es kann sich um ein drittes Schutzrohr handeln, das sich in der von dem optischen Zugang zu der Austrittsöffnung weisenden Richtung auf Höhe der Überströmöffnung konisch oder gestuft verjüngt. Nach dem Durchströmen der Überströmöffnung trifft die Teilströmung hierbei auf das dritte Schutzrohr und aufgrund der sich verjüngenden Geometrie des Schutzrohres wird die Teilströmung von dem optischen Zugang weg umgelenkt.
Gemäß einer nochmals anderen Ausführungsform ist dieses Mittel realisiert durch eine in einer vom optischen Zugang wegweisenden Stirnseite des Gehäusekörpers ausgebildeten Ausnehmung, beispielsweise Rille, die der Überströmöffnung des zweiten Schutzrohrs gegenüberliegt. Die Ausnehmung, beispielsweise Rille, lenkt die Teilströmung nach dem Strömen der Teilströmung durch die Überströmöffnung um, beispielsweise um bis zu 180°, weg vom optischen Zugang und insbesondere hin zur Austrittsöffnung.
Ein Mittel kann auch dadurch dazu qualifiziert sein, die Teilströmung bei dem oder in Anschluss an das Durchströmen der Überströmöffnung in eine von dem optischen Zugang weg und insbesondere zu der Austrittsöffnung hin gerichteten Richtung umzulenken, dass es von der Eintrittsöffnung aus und/oder von der Überströmöffnung aus gesehen die Sichtbarkeit des optischen Zugangs verhindert. Mit anderen Worten: Das Mittel ist geometrisch zwischen der Eintrittsöffnung und dem optischen Zugang oder/oder zwischen der Überströmöffnung und dem optischen Zugang angeordnet. Dieses Merkmal kann sich auf die gesamte räumliche Ausdehnung des optischen Zugangs beziehen oder aber auch bereits erfüllt sein, wenn es sich nur auf einen Teil der räumlichen Ausdehnung des optischen Zugangs bezieht, beispielsweise, wenn von der Überströmöffnung aus gesehen der optische Zugang teilweise sichtbar ist und teilweise durch das Mittel verdeckt wird.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Austrittsöffnung an einer von dem Gehäusekörper wegweisenden Stirnseite des Schutzrohrmoduls ausgebildet ist und dass die Eintrittsöffnung in der von dem optischen Zugang zu der Austrittsöffnung weisenden Richtung von dem optischen Zugang aus gesehen vor der Austrittsöffnung angeordnet ist. Mit anderen Worten ist also die Austrittsöffnung an einem distalen Ende des Schutzrohrmoduls bzw. des Partikelsensors angeordnet, die zumindest eine Eintrittsöffnung ist proximal von der Austrittsöffnung angeordnet. Eine derartige Anordnung bewirkt bei der Anordnung des Partikelsensors innerhalb eines Strömungskanals, dass eine Messgasströmung am Ort der Austrittsöffnung eine höhere Geschwindigkeit aufweist als am Ort der Eintrittsöffnung. Der statische Druck ist dann am Ort der Eintrittsöffnung höher als am Ort der Austrittsöffnung und das Innere des Schutzrohrmoduls bzw. des Partikelsensors wird von der Teilströmung ausgehend von der Eintrittsöffnung hin zur Austrittsöffnung durchströmt.
Es können auch mehrere Eintrittsöffnungen vorgesehen sein. Beispielsweise können 6 bis 12 Eintrittsöffnungen vorgesehen sein. Diese können teilweise oder allesamt in der von dem optischen Zugang zu der Austrittsöffnung weisen Richtung auf gleicher Höhe angeordnet sein. Auf mehrere oder alle diese Eintrittsöffnungen trifft das im Rahmen der Anmeldung für die Eintrittsöffnung Gesagte zu. Alternativ kann die Eintrittsöffnung auch als die offene Mündung eines zwischen dem ersten Schutzrohr und dem zweiten Schutzrohr vorhandenen Ringspalts ausgebildet sein.
Es können auch mehrere Überströmöffnungen vorgesehen sein. Beispielsweise können 4 bis 12 Überströmöffnungen vorgesehen sein. Diese können teilweise oder allesamt in der von dem optischen Zugang zu der Austrittsöffnung weisenden Richtung auf gleicher Höhe angeordnet sein. Auf mehrere oder alle diese Überströmöffnungen trifft das im Rahmen der Anmeldung für die Überströmöffnung Gesagte zu.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Eintrittsöffnung in der von dem optischen Zugang zu der Austrittsöffnung weisenden Richtung von dem optischen Zugang aus gesehen hinter der Überströmöffnung angeordnet ist. Eine derartige Anordnung bewirkt, dass die Teilströmung zunächst in Richtung auf den optischen Zugang hin strömt. Nach einer Umlenkung kann sie auf den Laserfokus gerichtet werden und nachfolgend das Schutzrohrmodul durch die Austrittsöffnung verlassen.
Vorteilhafterweise liegt der Laserfokus außerhalb des von der Teilströmung fluidisch abgeschirmten Bereichs. Stattdessen liegt er insbesondere in einem Bereich, der durch die Teilströmung angeströmt wird.
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. Es zeigen:

1 eine Veranschaulichung des auf der laserinduzierten Inkandeszenz basierenden Messprinzips, das bei der Erfindung vorzugsweise verwendet wird;
2 einen prinzipiellen Aufbau zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Sensors;
3 beispielhaft einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Partikelsensors;
4 drei Varianten eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
5 drei Varianten eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
6 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

1 veranschaulicht das auf der laserinduzierten Inkandeszenz basierende Messprinzip. Laserlicht 10 hoher Intensität trifft auf ein Partikel 12, beispielsweise ein Rußpartikel. 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 spontan und im Wesentlichen ohne Vorzugsrichtung signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung. Ein Teil der in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 wird daher auch entgegengesetzt zur Richtung des einfallenden Laserlichtes 10 emittiert.
2 zeigt schematisch einen prinzipiellen Aufbau zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Partikelsensors 16. Der Partikelsensor 16 weist hier einen als CW-Lasermodul (CW: continuous wave; Dauerstrich) ausgebildeten Laser 18 auf, dessen bevorzugt kollimiertes Laserlicht 10 mit wenigstens einer im Strahlengang des Lasers 18 angeordneten Sammellinse 20 auf einen sehr kleinen Fokus 22 fokussiert wird, in dem die Intensität des Laserlichts 10 die für laserinduzierte Inkandeszenz ausreichend hoch ist. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines CW-Lasers beschränkt. Es ist auch denkbar, gepulst betriebene Laser zu verwenden.
Die Abmessungen des Spots 22 liegen 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). Als Folge kann meistens davon ausgegangen werden, 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 vom den Spot 22 durchfliegenden Partikel 12 ausgehende Strahlung 14, insbesondere Temperaturstrahlung, detektiert. Der Detektor 26 weist dazu bevorzugt wenigstens eine Fotodiode 26.1 auf. Damit wird eine Einzelpartikelmessung möglich, welche grundsätzlich sogar die Extraktion von Informationen über das Partikel 12 wie Größe und Geschwindigkeit ermöglicht.
3 zeigt beispielhaft einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Partikelsensors 16.
Der Partikelsensor 16 weist eine Anordnung aus einem ersten, äußeren Schutzrohr 210 und einem zweiten, inneren Schutzrohr 220 auf. Die Anordnung der Schutzrohre ist hier nur grob und schematisch gezeigt, insofern wird auf die 4, 5 und 6 verwiesen.
Der Partikelsensor 16 weist einen Laser 18 auf, der bevorzugt kollimiertes Laserlicht 10 erzeugt. Im Strahlengang des Laserlichtes 10 befindet sich ein Strahlteiler 34. Ein den Strahlteiler 34 ohne Umlenkung durchlaufender Teil des Laserlichtes 10 wird durch die Sammellinse 20 zu einem sehr kleinen Fokus 22 fokussiert. In diesem Fokus 22 ist die Lichtintensität hoch genug, um die mit dem Abgas 32 transportierten Partikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius zu erhitzen, so dass die erhitzten Partikel 12 signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung emittieren. Diese Strahlung 14 liegt zum Beispiel im nahinfraroten und sichtbaren Spektralbereich, ohne dass die Erfindung auf Strahlung 14 aus diesem Spektralbereich beschränkt ist. Ein Teil dieser ungerichtet in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14, wird von der Sammellinse 20 erfasst und über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 gerichtet. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass nur ein optischer Zugang 40 zum Abgas 32 benötigt wird, da die gleiche Optik, insbesondere die gleiche Sammellinse 20, für die Erzeugung des Fokus 22 und für das Erfassen der vom Partikel 12 ausgehenden Strahlung 14 benutzt wird. Das Abgas 32 ist ein Beispiel eines Messgases. Das Messgas kann auch ein anderes Gas oder Gasgemisch sein, zum Beispiel Raumluft.
Der Laser 18 weist eine Laserdiode 36 und eine zweite Linse 38 auf, die das von der Laserdiode 36 ausgehende Laserlicht 10 bevorzugt kollimiert. Der Einsatz der Laserdiode 36 stellt eine besonders kostengünstige und einfach handhabbare Möglichkeit der Erzeugung von Laserlicht 10 dar. Das bevorzugt kollimierte Laserlicht 10 wird durch die Sammellinse 20 fokussiert.
Der optische Partikelsensor 16 weist einen dem Abgas ausgesetzten ersten Teil 16.1 (Abgasseite) und einen dem Abgas nicht ausgesetzten zweiten Teil 16.2 (Reingasseite) auf, der die optischen Komponenten des Partikelsensors 16 enthält. Beide Teile sind durch eine Trennwand 16.3 getrennt, die zwischen den Schutzrohren 210, 220 und den optischen Elementen des Partikelsensors 16 verläuft. Die Wand 16.3 dient der Isolation der empfindlichen optischen Elemente von dem Abgas 32. In der Trennwand 16.3 ist im Strahlengang des Laserlichtes 10 ein als Fenster ausgebildeter optischer Zugang 40 angebracht, durch den hindurch das Laserlicht 10 in das Abgas 32 einfällt und über den vom Fokus 22 ausgehende Strahlung 14 auf die Sammellinse 20 und von da aus über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 einfallen kann.
Alternativ zu dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Erzeugung des Fokus 22 und das Erfassen der von Partikeln im Fokus 22 ausgehenden Strahlung 14 auch über getrennte optische Strahlengänge erfolgen.
Es ist auch denkbar, den Fokus 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.
Die 4a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind die in dem dem Abgas nicht ausgesetzten zweiten Teil 16.2 angeordneten Komponenten in der 4a zur besseren Übersichtlichkeit weggelassen. Es kann insofern auf die 3 verwiesen werden.
Der Partikelsensor 16 weist ein Gehäuse 100 auf, das sich aus einem Gehäusekörper 300 und einem abgasseitig am Gehäusekörper 300 festgelegten Schutzrohrmodul 200 zusammensetzt.
Der Gehäusekörper 300 ist wiederum aus einer zylindrischen Gehäusekörper-Hülse 310 und einer auf die Gehäusekörper-Hülse 310 aufschiebbaren Überwurfschraube 320 zusammengesetzt.
Die Gehäusekörper-Hülse 310 weist einen Durchgangskanal 311 auf, der auf der dem Abgas zugewandten Seite von einem optischen Fenster, das den optischen Zugang 40 bildet, gasdicht verschlossen wird. Auf der dem Abgas abgewandten Seite des optischen Zugangs 40 liegt somit der nicht dem Abgas ausgesetzte zweite Teil 16.2 des Partikelsensors 16.
Die Gehäusekörper-Hülse 310 weist ferner an ihrem dem Abgas zugewandten Ende ein umlaufendes ringförmiges Auflageelement 312 auf, dessen abgasseitige Seite zur Anlage in einem Stutzen beispielsweise eines Abgastrakts vorgesehen ist. Die vom Abgas abgewandte Seite des Auflageelements 312 wird von der Überwurfschraube 320 beaufschlagt. Die Überwurfschraube 320 weist an ihrer Mantelfläche ein Außengewinde 323 und ein Sechskantprofil 322 auf, sodass der Partikelsensor 16 beispielsweise in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine fixierbar ist.
Abgasseitig des Auflageelements 312 ist das Schutzrohrmodul 200 in dem dem Abgas ausgesetzten Teil 16.1 des Partikelsensors 16 an der Gehäusekörper-Hülse 310 fixiert. Das Schutzrohrmodul 200 besteht in diesem Beispiel aus einem ersten Schutzrohr 210, einem zweiten Schutzrohr 220 und einem dritten Schutzrohr 230.
Das erste Schutzrohr 210 ist topförmig ausgebildet, mit einem Topfrand 211 der an dem Auflageelement 312 der Gehäusekörper-Hülse 310 befestigt ist, beispielsweise angeschweißt ist. Das erste Schutzrohr 210 weist ferner eine eine Mantelfläche bildende Topfwand 212 auf sowie einen Topfboden 213. In der Topfwand 212 ist in der Nähe des Topfbodens 213 ein umlaufender Lochkranz aus beispielsweise 12 Eintrittsöffnungen 101 des Partikelsensors 16 ausgebildet.
Das zweite Schutzrohr 220 hat eine im wesentlichen hutförmige Gestalt und ist im Wesentlichen im Inneren des ersten Schutzrohrs 210 angeordnet. Das zweite Schutzrohr 220 liegt mit einem umlaufenden Radialflanschabschnitt 221 axial an dem Auflageelement 312 der Gehäusekörper-Hülse 310 und radial an der Innenseite der Topfwand 212 des ersten Schutzrohrs 210 an. An den Radialflanschabschnitt 221 des zweiten Schutzrohrs 220 schließt sich ein über eine Ringstufe 222 verjüngter Überströmöffnungsabschnitt 223 des zweiten Schutzrohrs 220 an. In dem Überströmöffnungsabschnitt 223 ist ein Lochkranz aus im Beispiel 12 Überströmöffnungen 103 vorgesehen, die einen zwischen dem ersten Schutzrohr 210 und dem zweiten Schutzrohr 220 ausgebildeten Ringraum 240 mit einem im Inneren des zweiten Schutzrohrs 220 ausgebildet Gasraum 250 verbinden. An den Überströmöffnungsabschnitt 223 des zweiten Schutzrohres 220 schließt sich ein sich konisch verjüngender Bereich 224 an und an diesen schließt sich ein becherförmiger Endbereich 225 des zweiten Schutzrohrs 220 an, der mit seiner Mantelfläche 225.1 in eine Öffnung in dem Topfboden 213 des ersten Schutzrohrs 210 eingepresst ist. In der Stirnseite 225.2 des Endbereichs 225 des zweiten Schutzrohrs 220 ist die Austrittsöffnung 102 des Partikelsensors 16 vorgesehen, die im vorliegenden Beispiel nur wenig kleiner ist als die Stirnseite 225.2 selbst.
Wiederum im Inneren des zweiten Schutzrohrs 220 ist das dritte Schutzrohr 230 angeordnet. Es weist einen ersten, geraden zylindrischen Abschnitt 231 auf, mit dem es in eine Öffnung 312.1 des Auflageelements 312 eingepresst ist. An den geraden zylindrischen Abschnitt 231 des dritten Schutzrohrs 230 schließt sich ein sich konisch verjüngender Abschnitt 232 an, der auf der dem Abgas zugewandten Seite 233 des dritten Schutzrohrs 230 offen ist.
Entlang einer axialen Richtung 400, die beispielsweise durch die von dem optischen Zugang 40 zu der Austrittsöffnung 102 weisenden Richtung definiert ist, liegt der sich konisch verjüngende Abschnitt 232 des dritten Schutzrohrs 230 auf gleicher axialer Höhe wie die Überströmöffnungen 103 im zweiten Schutzrohr 220.
Durch den Aufbau des Partikelsensors 16 und insbesondere des Gehäuses 100 ist einer Strömung eines Abgases 32 eine Teilströmung 321 entnehmbar, die zunächst durch die im ersten Schutzrohr 210 angeordneten Eintrittsöffnungen 101 des Partikelsensors 16 in einen zwischen dem ersten Schutzrohr 210 und dem zweiten Schutzrohr 220 angeordneten Ringraum 240 gelangt, von wo aus sie durch die Überströmöffnungen 103 im zweiten Schutzrohr 220 in den im Inneren des zweiten Schutzrohrs 220 angeordneten Gasraum 250 gelangt, dort durch den sich konisch verjüngenden Abschnitt 232 des dritten Schutzrohrs 230 umgelenkt wird und schließlich das zweite Schutzrohr 220 und somit das Schutzrohrmodul 200 durch die Austrittsöffnung 102 wieder verlässt.
Durch die Umlenkung an dem sich konisch verjüngenden Abschnitt 232 des dritten Schutzrohrs 230 wird bewirkt, dass die Teilströmung 321 nicht zu dem optischen Zugang 40 gelangt. Dieser liegt insofern in einem von der Teilströmung 321 abgeschirmten Bereich 500. Eventuell im Abgas 32 enthaltene Partikel 12 können den optischen Zugang 40 daher nicht verschmutzen.
Die 4b zeigt eine Variante, bei der die Eintrittsöffnungen 101 des Partikelsensors 16 nicht als einfache Löcher ausgebildet sind, sondern als mit Drallklappen 101.1 versehene Löcher. Die Drallklappen 101.1 sind so ausgerichtet, dass sie der in den Ringraum 240 eintretenden Teilströmung 321 eine Strömungsrichtung aufprägen, die einen Anteil hat der tangential zu der Mantelfläche 212 des ersten Schutzrohrs 210 ist und ferner einen Anteil hat, der zum Gehäusekörper 300, in der 4b also nach unten, gerichtet ist.
Die Eintrittsöffnung 101 als Kombination aus Loch mit zugehöriger Drallklappe 101.1 kann beispielsweise durch ein bereichsweises Einschneiden und Eindrücken des ersten Schutzrohrs 210 hergestellt sein.
Die 4c zeigt eine andere Variante zu dem in der 4a gezeigten Partikelsensor 16. Der Unterschied besteht darin, dass die Eintrittsöffnungen 101 nicht in der Topfwand 212 des ersten Schutzrohrs 210 ausgebildet sind, sondern auf einem Lochkranz im Topfboden 213 des ersten Schutzrohrs 210 ausgebildet sind.
5a zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind die in dem dem Abgas nicht ausgesetzten zweiten Teil 16.2 angeordneten Komponenten in der 5a zur besseren Übersichtlichkeit weggelassen. Es kann insofern auf die 3 verwiesen werden.
Der Partikelsensor 16 weist ein Gehäuse 100 auf, das sich aus einem Gehäusekörper 300 und einem abgasseitig am Gehäusekörper 300 festgelegten Schutzrohrmodul 200 zusammensetzt.
Der Gehäusekörper 300 ist wiederum aus einer zylindrischen Gehäusekörper-Hülse 310 und einer auf die Gehäusekörper-Hülse 310 aufschiebbaren Überwurfschraube 320 zusammengesetzt.
Die Gehäusekörper-Hülse 310 weist einen Durchgangskanal 311 auf, der auf der dem Abgas zugewandten Seite von einem optischen Fenster, das den optischen Zugang 40 bildet, gasdicht verschlossen wird. Auf der dem Abgas abgewandten Seite des optischen Zugangs 40 liegt somit der nicht dem Abgas ausgesetzte zweite Teil 16.2 des Partikelsensors 16.
Die Gehäusekörper-Hülse 310 weist ferner an ihrem dem Abgas zugewandten Ende ein ringförmig umlaufendes Auflageelement 312 auf, dessen abgasseitige Seite zur Anlage in einem Stutzen beispielsweise eines Abgastrakts vorgesehen ist. Die vom Abgas abgewandte Seite des Auflageelements 312 wird von der Überwurfschraube 320 beaufschlagt. Die Überwurfschraube 320 weist an ihrer Mantelfläche ein Außengewinde 323 und ein Sechskantprofil 322 auf, sodass der Partikelsensor 16 beispielsweise in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine fixierbar ist.
Abgasseitig des Auflageelements 312 ist das Schutzrohrmodul 200 in dem dem Abgas ausgesetzten Teil 16.1 des Partikelsensors 16 an der Gehäusekörper-Hülse 310 fixiert. Das Schutzrohrmodul 200 besteht in diesem Beispiel aus einem ersten Schutzrohr 210 und einem zweiten Schutzrohr 220.
Das erste Schutzrohr 210 ist topförmig ausgebildet mit einem Topfrand 211 der an dem Auflageelement 312 der Gehäusekörper-Hülse 310 befestigt ist, beispielsweise angeschweißt ist. Das erste Schutzrohr 210 weist ferner eine eine Mantelfläche bildende Topfwand 212 auf. Die Topfwand 212 verjüngt sich stufenförmig über eine ringförmige Schulterfläche 216. Ein sich anschließender sich konisch verjüngender Abschnitt 217 weist stirnseitig eine zentrale Öffnung auf, die die Austrittsöffnung 102 des Partikelsensors 16 darstellt.
Das zweite Schutzrohr 220 hat im Wesentlichen die Gestalt einer gestuften beidseitig offenen Hülse. Es ist im Inneren des ersten Schutzrohrs 210 angeordnet. Das zweite Schutzrohr 220 liegt mit einem umlaufenden Radialflanschabschnitt 221 axial an dem Auflageelement 312 der Gehäusekörper-Hülse 310 und radial an der Innenseite der Topfwand 212 des ersten Schutzrohrs 210 an. An den Radialflanschabschnitt 221 des zweiten Schutzrohrs 220 schließt sich ein über eine Ringstufe 222 verjüngter und im Wesentlichen zylindrischer Überströmöffnungsabschnitt 223 des zweiten Schutzrohrs 220 an. In dem Überströmöffnungsabschnitt 223 ist ein Lochkranz aus im Beispiel 8 Überströmöffnungen 103 vorgesehen, die einen zwischen dem ersten Schutzrohr 210 und dem zweiten Schutzrohr 220 ausgebildeten Ringraum 240 mit einem im Inneren des zweiten Schutzrohrs 220 ausgebildet Gasraum 250 verbinden.
Die Überströmöffnungen 103 sind als Löcher mit Drallklappen 103.1 ausgebildet, wobei die Drallklappen 103 der aus dem Ringraum 240 in den Gasraum 250 eintretenden Teilströmung 321 eine von dem optischen Zugang weggerichtete und zu der Austrittsöffnung 102 hin gerichtete Richtung aufprägen.
Eine Überströmöffnung 103 als Kombination aus Loch mit zugehöriger Drallklappe 103.1 kann beispielsweise durch ein bereichsweises Einschneiden und Eindrücken des zweiten Schutzrohrs 220 hergestellt sein,
Das zweite Schutzrohr 220 kommt in diesem Beispiel mit dem dem Abgas zugewandten Endabschnitt 223.1 seines Überströmöffnungsabschnitt 223 in dem verjüngten Abschnitt der Topfwand 212 des ersten Schutzrohrs 210 zu einer dichtenden und flächigen Anlage 223.2.
Durch den Aufbau des Partikelsensors 16 und insbesondere des Gehäuses 100 ist einer Strömung eines Abgases 32 eine Teilströmung 321 entnehmbar, die zunächst durch die im ersten Schutzrohr 210 angeordneten Eintrittsöffnungen 101 des Partikelsensors 16 in einen zwischen dem ersten Schutzrohr 210 und der zweiten Schutzrohr 220 angeordneten Ringraum 240 gelangt, von wo aus sie durch die Überströmöffnungen 103 im zweiten Schutzrohr 220 in den im Inneren des zweiten Schutzrohrs 220 angeordneten Gasraum 250 gelangt. Beim Durchtritt durch die Überströmöffnungen 103 wird ihr eine Richtung aufgeprägt, die von dem optischen Zugang 40 weggerichtet ist, in der 5a nach oben. Der optische Zugang 40 liegt insofern in einem von der Teilströmung 321 abgeschirmten Bereich 500. Eventuell im Abgas 32 enthaltene Partikel 12 können den optischen Zugang 40 daher nicht verschmutzen.
Die 5b zeigt eine Variante, bei der die Eintrittsöffnungen 101 des Partikelsensors 16 nicht als einfache Löcher ausgebildet sind, sondern als mit Drallklappen 101.1 versehene Löcher. Die Drallklappen 101.1 sind so ausgerichtet, dass sie der in den Ringraum 240 eintretenden Teilströmung 321 eine Strömungsrichtung aufprägen, die einen Anteil hat der tangential zur Mantelfläche 212 des ersten Schutzrohrs 210 ist und ferner einen Anteil hat, der zum Gehäusekörper 300, in der 5b also nach unten, gerichtet ist.
Die Eintrittsöffnung 101 als Kombination aus Loch mit zugehöriger Drallklappe 101.1 kann beispielsweise durch ein bereichsweises Einschneiden und Eindrücken des ersten Schutzrohrs 210 hergestellt sein.
Die 5c zeigt eine andere Variante zu dem in der 5a gezeigten Partikelsensor 16. Der Unterschied besteht darin, dass die Eintrittsöffnungen 101 nicht in der Topfwand 212 des ersten Schutzrohrs 210 ausgebildet sind, sondern auf einem Lochkranz im Topfboden 213 des ersten Schutzrohrs 210 ausgebildet sind.
Die 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind die in dem dem Abgas nicht ausgesetzten zweiten Teil 16.2 angeordneten Komponenten in der 6 zur besseren Übersichtlichkeit weggelassen. Es kann insofern auf die 3 verwiesen werden.
Der Partikelsensor 16 weist ein Gehäuse 100 auf, das sich aus einem Gehäusekörper 300 und einem abgasseitig am Gehäusekörper 300 festgelegten Schutzrohrmodul 200 zusammensetzt.
Der Gehäusekörper 300 weist einen Durchgangskanal 311 auf, der auf der dem Abgas zugewandten Seite von einem optischen Fenster, das den optischen Zugang 40 bildet gasdicht verschlossen wird. Auf der dem Abgas abgewandten Seite des optischen Zugangs 40 liegt somit der nicht dem Abgas ausgesetzte zweite Teil 16.2 des Partikelsensors 16.
Der Gehäusekörper 300 weist an seiner Mantelfläche beispielsweise ein Außengewinde 323 und ein Sechskantprofil 322 auf, sodass der Partikelsensor 16 beispielsweise in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine fixierbar ist.
Abgasseitig ist an dem Gehäusekörper 300 das Schutzrohrmodul 200 in dem dem Abgas ausgesetzten Teil 16.1 des Partikelsensors 16 fixiert. Das Schutzrohrmodul 200 besteht, in diesem Beispiel aus einem ersten Schutzrohr 210 und einem zweiten Schutzrohr 220.
Das erste Schutzrohr 210 ist topförmig ausgebildet, mit einem Topfrand 211 der an dem Gehäusekörper 300 befestigt ist, beispielsweise angeschweißt ist. Das erste Schutzrohr 210 weist ferner eine eine Mantelfläche bildende Topfwand 212 auf.
Das zweite Schutzrohr 220 hat eine im wesentlichen hutförmige Gestalt und ist radial im Inneren des ersten Schutzrohrs 210 angeordnet. Das zweite Schutzrohr 220 liegt mit einem umlaufenden Hutkrempenabschnitt 221' axial an dem Gehäusekörper 300 und radial an der Innenseite der Topfwand 212 des ersten Schutzrohrs 210 an. Im Hutkrempenabschnitt 221' ist ferner ein Lochkranz von im Beispiel 8 Überströmöffnungen 103 angeordnet. Die Überströmöffnungen 103 weisen somit in Richtung des Gehäusekörpers 300 und ermöglichen somit einen Gasaustausch zwischen dem zwischen dem ersten Schutzrohr 210 und dem zweiten Schutzrohr 220 ausgebildeten Ringraum 240 und einem im Inneren des zweiten Schutzrohrs 220 ausgebildeten Gasraum 250.
An den Hutkrempenabschnitt 221' des zweiten Schutzrohrs 220 schließt sich ein radial geschlossener und axial beidseitig offener Hutmantelabschnitt 222` an. Das dem Abgas zugewandte offene Ende des Hutmantelabschnitts 222` bildet die Austrittsöffnung 102 des Partikelsensors 16. Das dem dem Abgas zugewandte offene Ende des Ringraums 240 bildet die Eintrittsöffnung 101 des Partikelsensors 16.
Den Überströmöffnungen 103 gegenüberliegend ist in der dem Abgas zugewandten Stirnseite des Gehäusekörpers 300 zumindest eine Ausnehmung 305 ausgebildet. Diese Ausnehmung 305 lenkt eine durch eine Überströmöffnung 103 tretende Teilströmung 321 um, im Beispiel um fast 180°, weg von dem optischen Zugang 40 und hin zu der Austrittsöffnung 102.
Es kann vorgesehen sein, dass jeder Überströmöffnung 103 eine individuelle Ausnehmung 305 der Stirnseite des Gehäusekörpers 300 vorgesehen ist, beispielsweise eine napfförmige Ausnehmung 305, beispielsweise mit in Aufsicht rundem Querschnitt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass in der Stirnseite des Gehäusekörpers 300 eine einzige Ausnehmung 305 in Form einer einzigen umlaufenden Rille vorgesehen ist, die allen Überströmöffnungen 103 gemeinsam gegenüberliegt.
Durch den Aufbau des Partikelsensors 16 und insbesondere des Gehäuses 100 ist einer Strömung eines Abgases 32 eine Teilströmung 321 entnehmbar, die zunächst durch die im ersten Schutzrohr 210 angeordnete Eintrittsöffnung 101 des Partikelsensors 16 in einen zwischen dem ersten Schutzrohr 210 und dem zweiten Schutzrohr 220 angeordneten Ringraum 240 gelangt, von wo aus sie durch die Überströmöffnungen 103 im zweiten Schutzrohr 220 in den im Inneren des zweiten Schutzrohrs 220 angeordneten Gasraum 250 gelangt.
Durch die Umlenkung an der Ausnehmung 305 im Gehäusekörper 300 wird bewirkt, dass die Teilströmung 321 nicht zu dem optischen Zugang 40 gelangt. Der optische Zugang 40 liegt insofern in einem von der Teilströmung 321 abgeschirmten Bereich 500. Eventuell im Abgas 32 enthaltene Partikel 12 können den optischen Zugang 40 daher nicht verschmutzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017207402 A1 [0002, 0003, 0004]

Claims

Partikelsensor zum Nachweis von Partikeln (12) in einer Strömung eines Messgases, insbesondere zum Nachweis von Rußpartikeln in einem Abgaskanal eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine, mit Mitteln zur Erzeugung oder zur Zuführung von Laserlicht (10) und mit Mitteln zur Fokussierung von Laserlicht (10) und mit Mitteln zur Detektion oder zur Weiterleitung von Temperaturstrahlung, wobei der Partikelsensor (16) zumindest einen optischen Zugang (40) aufweist, der einen dem Messgas ausgesetzten Bereich (16.1) von einem dem Messgas abgewandten Bereich (16.2), der nicht dem Messgas ausgesetzt ist, trennt, wobei die Mittel zur Erzeugung oder zur Zuführung von Laserlicht (10) und/oder die Mittel zur Detektion oder zur Weiterleitung von Temperaturstrahlung in dem dem Messgas abgewandten Bereich (16.2) angeordnet sind wobei der Partikelsensor (16) der Messgasströmung eine Teilströmung (321) entnimmt und dem Laserfokus (22) zuführt und ferner den optischen Zugang (40) gegenüber der Teilströmung (321) fluidisch abschirmt.
Partikelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsensor (16) ein Gehäuse (100) aufweist, in oder an dem der optische Zugang (40) angeordnet ist, und dass das Gehäuse (100) zumindest eine Eintrittsöffnung (101) aufweist, durch die der Strömung des Messgases eine Teilströmung (321) entnehmbar und in das Innere des Gehäuses (100) einführbar ist, und zumindest eine Austrittsöffnung (102) aufweist, durch die die Teilströmung (321) das Gehäuse (100) verlässt, und das im Inneren des Gehäuses (100) eine Abschirmung vorgesehen ist, die die Teilströmung (321) in eine von dem optischen Zugang (40) weggerichtete Richtung umlenkt.
Partikelsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung die Teilströmung (321) aus einer auf den optischen Zugang (40) hin gerichteten Richtung in eine von dem optischen Zugang (40) weggerichtete Richtung umlenkt.
Partikelsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung die Teilströmung (321) aus einer von der Eintrittsöffnung (101) auf den optischen Zugang (40) hin gerichteten Richtung in eine von dem optischen Zugang (40) weg zu der Austrittsöffnung (102) gerichteten Richtung umlenkt.
Partikelsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (100) einen Gehäusekörper (300) aufweist, in oder an dem der optische Zugang (40) angeordnet ist, und dass das Gehäuse (100) ferner ein Schutzrohrmodul (200) aufweist, das an dem Gehäusekörper (300) befestigt ist oder mit dem Gehäusekörper (300) einstückig ist, und zumindest eine Eintrittsöffnung (101) aufweist, durch die der Strömung des Messgases eine Teilströmung (321) entnehmbar und in das Innere des Schutzrohrmoduls (200) einführbar ist und zumindest eine Austrittsöffnung (102) aufweist, durch die die Teilströmung (321) das Schutzrohrmodul (200) verlässt, und das im Inneren des Schutzrohrmoduls (200) eine Abschirmung vorgesehen ist, die die Teilströmung (321) in eine von dem optischen Zugang (40) weggerichtete Richtung umlenkt.
Partikelsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzrohrmodul (200) ein erstes Schutzrohr (210) aufweist, das zumindest eine Eintrittsöffnung (101) aufweist, durch die der Strömung des Messgases eine Teilströmung (321) entnehmbar und in das Innere des Schutzrohrmoduls (200) einführbar ist, und dass das Schutzrohrmodul (200) ein zweites Schutzrohr (220) aufweist, das in dem ersten Schutzrohr (210) angeordnet ist, sodass zwischen dem ersten Schutzrohr (210) und dem zweiten Schutzrohr (220) ein Ringraum (240) ausgebildet ist, und dass das zweite Schutzrohr (220) zumindest eine Überströmöffnung (103) aufweist, durch die die Teilströmung (321) aus dem Ringraum (240) in einen im Inneren des zweiten Schutzrohrs (220) angeordneten Gasraum (250) strömt, und dass die Austrittsöffnung (102) am ersten Schutzrohr (210) oder am zweiten Schutzrohr (220) ausgebildet ist und dass ein Mittel vorgesehen ist, das die Teilströmung (321) bei dem oder in Anschluss an das Durchströmen der Überströmöffnung (103) in eine von dem optischen Zugang (40) weg zu der Austrittsöffnung (102) gerichteten Richtung umlenkt.
Partikelsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel, das die Teilströmung (321) bei dem oder in Anschluss an das Durchströmen der Überströmöffnung (103) in eine von dem optischen Zugang (40) weg zu der Austrittsöffnung (102) gerichteten Richtung umlenkt, entweder zumindest eine an der Überströmöffnung (103) des zweiten Schutzrohrs (220) ausgebildete Drallklappe (103') ist, die in eine von dem optischen Zugang (40) weg zu der Austrittsöffnung (102) gerichteten Richtung weist und/oder ein drittes Schutzrohr (230) ist, das in dem zweiten Schutzrohr (220) angeordnet ist und sich in der von dem optischen Zugang (40) zu der Austrittsöffnung (102) weisenden Richtung auf Höhe der Überströmöffnung (103) konisch oder gestuft verjüngt oder eine in einer vom optischen Zugang (40) weg weisenden Stirnseite des Gehäusekörpers (300) ausgebildete Ausnehmung (305), beispielsweise Rille, ist, die der Überströmöffnung (103) des zweiten Schutzrohrs (220) gegenüberliegt.
Partikelsensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel, das die Teilströmung (321) bei dem oder in Anschluss an das Durchströmen der Überströmöffnung (103) in eine von dem optischen Zugang (40) weg zu der Austrittsöffnung (102) gerichteten Richtung umlenkt, von der Eintrittsöffnung (101) aus und/oder von der Überströmöffnung (103) aus gesehen die Sichtbarkeit des optischen Zugangs (40) ganz oder teilweise verhindert.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (102) an einer von dem Gehäusekörper (300) wegweisenden Stirnseite des Schutzrohrmoduls (200) ausgebildet ist und die Eintrittsöffnung (101) in der von dem optischen Zugang (40) zu der Austrittsöffnung (102) weisenden Richtung von dem optischen Zugang (40) aus gesehen vor dem Austrittsloch (102) angeordnet ist.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, des mehrere, insbesondere 6 -12, Eintrittsöffnungen (101) vorgesehen sind, die alle in der von dem optischen Zugang (40) zu der Austrittsöffnung (102) weisenden Richtung auf gleicher Höhe angeordnet sind.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schutzrohr (220) zumindest mehrere, insbesondere 4 - 12, Überströmöffnungen (103) aufweist, die alle in der von dem optischen Zugang (40) zu der Austrittsöffnung (102) weisenden Richtung auf gleicher Höhe angeordnet sind.
Partikelsensor nach Anspruch 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnungen (101) alle in der von dem optischen Zugang (40) zu der Austrittsöffnung (102) weisenden Richtung von dem optischen Zugang (40) aus gesehen hinter den Überströmöffnungen (103) angeordnet sind.
Partikelsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserfokus (22) außerhalb des fluidisch abgeschirmten Bereichs (500) liegt.
Partikelsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erzeugung von Laserlicht (10) ein Laser (18) ist und/oder dass das Mittel zur Zuführung von Laserlicht (10) eine optische Faser ist und/oder dass das Mittel zur Fokussierung eine Linse ist, insbesondere der als Linse ausgebildete optische Zugang (40) ist, und/oder dass das Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung ein Photodetektor (26) ist und/oder dass das Mittel zur Weiterleitung von Temperaturstrahlung eine optische Faser ist und/oder das der optische Zugang (40) ein Fenster oder eine optische Faser ist.