DE102018220154A1 - Method for operating a particle sensor - Google Patents

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Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors (16), der ein einen Laser aufweisendes Lasermodul (18), einen zur Detektion von Temperaturstrahlung (14) eingerichteten Detektor (26), und ein im Strahlengang des Lasers des Lasermoduls (18) angeordnetes optisches Element (20) aufweist, wobei das optische Element dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul (18) ausgehendes Laserlicht (10) in einen Spot (22) zu bündeln, und wobei der Detektor (26) im Partikelsensor (16) so angeordnet ist, dass er vom Spot (22) ausgehende Strahlung (14) detektiert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine Größe des Spots (22) aus der detektierten Strahlung ermittelt wird und dass die Auswertung der Signale des Partikelsensors in Abhängigkeit von der ermittelten Größe erfolgt. Ein unabhängiger Anspruch richtet sich auf ein Steuergerät.The invention relates to a method for operating a particle sensor (16), which comprises a laser module (18) with a laser, a detector (26) set up to detect temperature radiation (14), and an optical element arranged in the beam path of the laser of the laser module (18) (20), the optical element being set up to bundle laser light (10) emanating from the laser module (18) into a spot (22), and wherein the detector (26) is arranged in the particle sensor (16) in such a way that it detects radiation (14) emanating from the spot (22). The method is characterized in that at least one size of the spot (22) is determined from the detected radiation and that the signals of the particle sensor are evaluated as a function of the determined size. An independent claim is directed towards a control unit.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.The present invention relates to a method for operating a particle sensor according to the preamble of claim 1 and a control device according to the preamble of the independent device claim.

Der Begriff des Partikels umfasst Schwebeteilchen, die in einem Fluid schweben und mit dem Fluid transportiert werden. Die Partikel können feste oder flüssige Teilchen sein. Flüssige Teilchen werden auch als Aerosolpartikel oder Aerosoltröpfchen bezeichnet. Das Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein.The term particle includes suspended particles that float in a fluid and are transported with the fluid. The particles can be solid or liquid particles. Liquid particles are also referred to as aerosol particles or aerosol droplets. The fluid can be a liquid or a gas.

Der bei dem Verfahren verwendete Partikelsensor weist ein im Strahlengang des Lasers des Lasermoduls angeordnetes optisches Element auf, das dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul ausgehendes Laserlicht in einen Spot zu bündeln. Der Detektor ist im Partikelsensor so angeordnet, dass er vom Spot ausgehende Strahlung detektiert. Die Strahlung kann Temperaturstrahlung oder durch chemische Reaktionen wie einer im Spot ablaufenden Oxidation von Ruß freigesetzte Strahlung sein.The particle sensor used in the method has an optical element which is arranged in the beam path of the laser of the laser module and is configured to bundle laser light emanating from the laser module into a spot. The detector is arranged in the particle sensor so that it detects radiation emanating from the spot. The radiation can be temperature radiation or radiation released by chemical reactions such as oxidation of soot taking place in the spot.

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

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

Dabei ist der Einsatz von gepulsten Lasern zur gleichzeitigen (Detektion vieler Partikel gleichzeitig) als auch von CW-Lasern (continuous wave) zur Detektion von einzelnen Partikeln bekannt. In diesem Zusammenhang zeigt die US 2003/197863 A eine Erhitzung eines Ensembles von Partikeln durch einen Nanosekunden-Hochleistungslaser, welcher eine sehr hohe Lichtintensität für eine kurze Zeit (ns) erreicht. Die Erhitzung erfolgt im kollimierten (parallel ausgerichteten) Teil des Strahls mit einem Querschnitt von einigen Quadratzentimetern bzw. -millimetern. Somit werden mit einem einzigen Laserpuls Tausende von Partikeln gleichzeitig aufgeheizt, was eine Zählung von einzelnen Partikeln nicht erlaubt. Außerdem wird hier ein nicht miniaturisierbarer und kostenintensiver Laser verwendet.The use of pulsed lasers for the simultaneous (detection of many particles simultaneously) and of CW lasers (continuous wave) for the detection of individual particles is known. In this context, the US 2003/197863 A heating an ensemble of particles by means of a nanosecond high-power laser, which reaches a very high light intensity for a short time (ns). The heating takes place in the collimated (parallel aligned) part of the beam with a cross section of a few square centimeters or millimeters. Thus, thousands of particles are heated simultaneously with a single laser pulse, which does not allow counting of individual particles. In addition, a laser that cannot be miniaturized and is cost-intensive is used here.

Bei der US2001/0767104 wird die gleiche Funktionsweise verwendet, wie bei der US 2003/197863 A , mit dem Unterschied, dass es sich hier um ein geschlossenes Gerät handelt, welches einen Eingang für das die Partikel transportierende Abgas besitzt. Die Messung der Partikel findet innerhalb des Geräts statt.In the US2001 / 0767104 the same functionality is used as for the US 2003/197863 A , with the difference that this is a closed device that has an inlet for the exhaust gas transporting the particles. The particles are measured inside the device.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von diesem Stand der Technik dadurch, dass wenigstens eine Größe des Spots aus der detektierten Strahlung ermittelt wird und dass die Auswertung der Signale des Partikelsensors in Abhängigkeit von der ermittelten Größe erfolgt.The method according to the invention differs from this prior art in that at least one size of the spot is determined from the detected radiation and that the evaluation of the signals of the particle sensor takes place as a function of the determined size.

Durch diese Merkmale wird die Genauigkeit und Langzeitstabilität der Genauigkeit der Messungen von absoluten Partikelanzahlkonzentrationen verbessert. Außerdem lässt sich mit der Erfindung eine Alterung der Laserquelle und eine Alterung bzw. Verschmutzung der Optik erkennen, die zu einem Ausfall des Partikelsensors, bzw. zu einer nicht mehr ausreichenden Genauigkeit seiner Signale führen. Die Erfindung erlaubt eine zuverlässige Bestimmung von Partikel-Anzahl-Konzentrationen mit geringeren Kosten als Geräte mit echter Partikelzahl-Messfähigkeit (z.B. Condensation Particle Counter). Der Sensor erlaubt sowohl eine Messung der Anzahl- als auch der Massenkonzentration von Partikeln in Fluiden, insbesondere von Partikeln im Abgas von Verbrennungsprozessen, insbesondere von Diesel- und Benzinmotoren, aber zum Beispiel auch von Heizungsanlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur On Board Überwachung des Zustandes eines im Abgassystem eines Verbrennungsprozesses angeordneten Partikelfilters eingesetzt werden. Das Verfahren besitzt eine kurze Ansprechzeit und ist praktisch sofort nach Aktivierung, also zum Beispiel praktisch sofort nach einem Start eines Verbrennungsprozesses einsatzbereit. Gerade in Benzinfahrzeugen ist eine Partikelzahl-Messfähigkeit sowie die sofortige Einsatzbereitschaft des Sensors unmittelbar nach dem Start des Fahrzeugs sehr wichtig, da ein Großteil der bei Benzinmotoren typischerweise sehr feinen Partikel (wenig Masse, hohe Anzahl) während und unmittelbar nach einem Kaltstart entstehen.These features improve the accuracy and long-term stability of the accuracy of the measurements of absolute particle number concentrations. In addition, aging of the laser source and aging or contamination of the optics can be recognized with the invention, which lead to a failure of the particle sensor or to an inadequate accuracy of its signals. The invention allows a reliable determination of particle number concentrations at lower costs than devices with real particle number measurement capability (eg condensation particle counter). The sensor allows both the number and the mass concentration of particles in fluids, in particular of particles in the exhaust gas of combustion processes, in particular of diesel and gasoline engines, but also for example, to be measured Heating systems. The method according to the invention can be used for on-board monitoring of the state of a particle filter arranged in the exhaust system of a combustion process. The method has a short response time and is ready for use almost immediately after activation, for example practically immediately after starting a combustion process. In gasoline vehicles in particular, the ability to measure the number of particles and the immediate readiness of the sensor to use immediately after starting the vehicle are very important, since a large proportion of the particles that are typically very fine in gasoline engines (low mass, high number) occur during and immediately after a cold start.

Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswertung der Signale des Partikelsensors in Abhängigkeit von der ermittelten Größe erfolgt.A preferred embodiment is characterized in that the evaluation of the signals of the particle sensor is carried out as a function of the size determined.

Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Größe des Spots aus Halbwertsbreiten von detektierten Strahlungspulsen bestimmt wird.A preferred embodiment is characterized in that the size of the spot is determined from half-widths of detected radiation pulses.

Bevorzugt ist auch, dass Halbwertsbreiten von einer Mehrzahl von detektierten Strahlungspulsen bestimmt werden und dass eine Größe des Spots aus einer oder mehreren bestimmten Halbwertsbreiten bestimmt wird.It is also preferred that half-value widths are determined by a plurality of detected radiation pulses and that a size of the spot is determined from one or more determined half-value widths.

Weiter ist bevorzugt, dass eine parallel zu einer Bewegungsrichtung von Partikeln liegende Länge des Spots aus einer maximalen Halbwertsbreite der bestimmten Halbwertsbreiten bestimmt wird.It is further preferred that a length of the spot lying parallel to a direction of movement of particles is determined from a maximum half-width of the determined half-widths.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Länge des Spots aus einer mittleren Halbwertsbreite der bestimmten Halbwertsbreiten bestimmt wird.A further preferred embodiment is characterized in that a length of the spot is determined from an average half-width of the determined half-widths.

Bevorzugt ist auch, dass aus der bestimmten Länge des Spots auch eine in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Partikel transversale Spotabmessung bestimmt wird.It is also preferred that a spot dimension transverse to the direction of movement of the particles is also determined from the determined length of the spot.

Weiter ist bevorzugt, dass neben der Größe auch Form und/oder Qualität des Spots beim Betreiben des Partikelsensors bestimmt werden.It is further preferred that, in addition to the size, the shape and / or quality of the spot are also determined when the particle sensor is operated.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass Veränderungen der Größe und/oder Form und/oder Qualität gegenüber einer Bezugsgröße ermittelt werden und dass eine Fehlermeldung erzeugt wird, wenn die Veränderung der Größe und/oder Form und/oder Qualität ein nicht akzeptables Ausmaß aufweist.Another preferred embodiment is characterized in that changes in size and / or shape and / or quality compared to a reference size are determined and that an error message is generated if the change in size and / or shape and / or quality is an unacceptable extent having.

Mit Bezug auf die Vorrichtungsaspekte der vorliegenden Erfindung zeichnet sich die vorliegende Erfindung dadurch aus, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Größe des Spots aus der detektierten Strahlung zu ermitteln und die Signale des Partikelsensors in Abhängigkeit von der ermittelten Größe auszuwerten.With regard to the device aspects of the present invention, the present invention is characterized in that the control device is set up to determine at least one size of the spot from the detected radiation and to evaluate the signals of the particle sensor as a function of the determined size.

Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die Signale des Partikelsensors in Abhängigkeit von der ermittelten Größe und/oder Form und/oder Qualität auszuwerten.A preferred embodiment is characterized in that the control device is set up to evaluate the signals of the particle sensor as a function of the determined size and / or shape and / or quality.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Steuergeräts zeichnet sich dadurch aus, dass es dazu eingerichtet ist, eine der oben aufgeführten Ausgestaltungen des Verfahrens durchzuführen.Another preferred embodiment of the control device is characterized in that it is set up to carry out one of the embodiments of the method listed above.

Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Partikelsensor arbeitet mit einem fokussierten Laser-Strahl mit sehr hoher Intensität, um die durch den Laserspot hindurch fliegenden Partikel auf mehrere tausend Grad zu erhitzen. Als Messsignal wird das thermisch emittierte Licht der aufgeheizten Partikel verwendet. In der hier vorgestellten Erfindung wird ein kontinuierlich arbeitender (CW-)Laser verwendet, welcher über entsprechende optische Elemente (z.B. Linsen) auf einen sehr kleinen Spot fokussiert wird. Als Laserquelle können kostengünstige Halbleiter Laser-Dioden eingesetzt werden, was die Kosten für den Partikelsensor stark senkt. Die Detektion des LII-Lichtes kann z.B. mittels einer empfindlichen Fotodiode oder eines Multi-Pixel-Photon- Counters (MPPC) erfolgen.The particle sensor used in the method according to the invention works with a focused laser beam with very high intensity in order to heat the particles flying through the laser spot to several thousand degrees. The thermally emitted light from the heated particles is used as the measurement signal. In the invention presented here, a continuously operating (CW) laser is used, which is focused on a very small spot via corresponding optical elements (e.g. lenses). Inexpensive semiconductor laser diodes can be used as the laser source, which greatly reduces the costs for the particle sensor. The detection of the LII light can e.g. using a sensitive photodiode or a multi-pixel photon counter (MPPC).

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt sowohl eine Messung der Anzahl- als auch der Massenkonzentration von Partikeln in einem Fluid. Bei dem Fluid kann es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln. Die Partikel sind zum Beispiel Flüssigkeitströpfchen in einem Aerosol oder Partikel im Abgas von Diesel- oder Benzinfahrzeugen. Mit inbegriffen ist hierbei explizit die Fähigkeit zur Einzelpartikeldetektion in einem Prüfvolumen, so dass auch die Partikelgröße aus den Messdaten bestimmt werden kann.The method according to the invention allows both the number and the mass concentration of particles in a fluid to be measured. The fluid can be a gas or a liquid. The particles are, for example, liquid droplets in an aerosol or particles in the exhaust gas of diesel or gasoline vehicles. This explicitly includes the ability to detect individual particles in a test volume, so that the particle size can also be determined from the measurement data.

Die Erfindung erlaubt insbesondere eine On Board Diagnose des Zustandes von Partikelfiltern im Abgassystem von Verbrennungsmotoren. Dazu ist der Sensor im Abgasstrom stromabwärts von dem Partikelfilter angeordnet. Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene Partikelsensor besitzt eine vorteilhaft kurze Ansprechzeit und ist sofort nach seiner durch das Einschalten des Lasers erfolgenden Aktivierung einsatzbereit. Gerade in Benzinfahrzeugen ist die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mögliche Partikelzahl-Messfähigkeit sowie die sofortige Einsatzbereitschaft des Sensors unmittelbar nach dem Start des Fahrzeugs sehr wichtig, da ein Großteil der bei Benzinmotoren typischerweise sehr feinen Partikel (wenig Masse, hohe Anzahl) während des Kaltstarts entstehen.In particular, the invention allows on-board diagnosis of the state of particle filters in the exhaust system of internal combustion engines. For this purpose, the sensor is arranged in the exhaust gas flow downstream of the particle filter. The particle sensor operated with the method according to the invention has an advantageously short response time and is ready for use immediately after it is activated by switching on the laser. Especially in gasoline vehicles, the particle number measurement capability that is possible with the method according to the invention and the immediate readiness for use of the sensor immediately after starting the vehicle are very important, since a large part of those in gasoline engines typically very fine particles (low mass, high number) arise during the cold start.

Damit wird sichergestellt, dass alle ausgewerteten Partikel eine annähend gleiche Temperatur erreicht haben (Sättigungstemperatur -3500K). Nur in diesem Fall annähernd gleicher Temperatur hängt die Signalintensität direkt von der Partikelgröße ab. In der Umkehrung erlaubt dies eine Bestimmung der Partikelgröße aus der Signalintensität.This ensures that all evaluated particles have reached approximately the same temperature (saturation temperature -3500K). Only in this case is the temperature approximately the same, does the signal intensity depend directly on the particle size. Conversely, this allows the particle size to be determined from the signal intensity.

Außerdem sorgt eine solche Filterung für eine klar definierte Größe des Detektionsvolumens bzw. -querschnitts, wodurch eine genaue Volumenkonzentration der Partikel aus den gemessenen Daten extrahierbar wird. Die hohe Genauigkeit der Bestimmung des Detektionsvolumens erlaubt eine genaue Konzentrationsbestimmung (Partikel/m3 oder Partikel/mi). Die hohe Genauigkeit der Größenbestimmung erlaubt eine genaue Bestimmung der Partikelmasse (mg/m3 bzw. mg/mi).In addition, such filtering ensures a clearly defined size of the detection volume or cross section, which makes it possible to extract an exact volume concentration of the particles from the measured data. The high accuracy of the determination of the detection volume allows a precise determination of the concentration (particle / m 3 or particle / mi). The high accuracy of the size determination allows an exact determination of the particle mass (mg / m 3 or mg / mi).

Das erfindungsgemäße Verfahren kann nicht nur zur Bestimmung von Partikelmassen und Partikelkonzentrationen im Abgas von Verbrennungsmotoren, sondern auch für andere Szenarios und Einsatzbereiche verwendet werden, zum Beispiel für Portable Emission Monitoring Systeme, Messungen von Raumluftqualität, und Messungen von Emissionen von Verbrennungsanlagen (privat, industriell), ohne dass diese Aufzählung Anspruch auf Vollzähligkeit erhebt.The method according to the invention can be used not only for determining particle masses and particle concentrations in the exhaust gas of internal combustion engines, but also for other scenarios and areas of use, for example for portable emission monitoring systems, measurements of indoor air quality, and measurements of emissions from combustion systems (private, industrial) without this list claiming to be complete.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.Further advantages result from the dependent claims, the description and the attached figures.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination indicated in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.

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, jeweils in schematischer Form:

  • 1 ein auf der Laser Induzierten Inkandeszenz basierendes Messprinzip, das bei der Erfindung verwendet wird;
  • 2 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Partikelsensors;
  • 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Partikelsensors;
  • 4 einen Querschnitt durch einen Laserspot, der eine laterale Größe und eine transversale Größe aufweist, zusammen mit einer Trajektorie eines Partikels, das durch den Laserspot hindurch fliegt;
  • 5 ein LII-Signal (Intensität der von einem Partikel ausgehenden Temperaturstrahlung) für ein durch den Laserspot hindurch fliegendes Partikel über der Zeit;
  • 6 eine auf der Auswertung einer Mehrzahl von Lll-Signalen ermittelte Verteilungskurve; und
  • 7 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the description below. The same reference numerals in different figures designate the same or at least functionally comparable elements. In each case in schematic form:
  • 1 a measurement principle based on laser-induced incandescence, which is used in the invention;
  • 2nd a basic structure of a particle sensor according to the invention;
  • 3rd an embodiment of a particle sensor according to the invention;
  • 4th a cross section through a laser spot having a lateral size and a transverse size, together with a trajectory of a particle that flies through the laser spot;
  • 5 an LII signal (intensity of the temperature radiation emanating from a particle) for a particle flying through the laser spot over time;
  • 6 a distribution curve determined on the evaluation of a plurality of Lll signals; and
  • 7 a flow chart as an embodiment of a method according to the invention.

1 veranschaulicht das auf der Laser Induzierten Inkandeszenz (LII) basierende Messprinzip. Laserlicht 10 hoher Intensität trifft auf ein Partikel 12. 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 (LII-Licht) 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. 1 illustrates the measurement principle based on laser-induced incandescence (LII). Laser light 10th high intensity hits a particle 12 . The intensity of the laser light 10th is so high that that of the particle 12 absorbed energy of laser light 10th the particle 12 heated to several thousand degrees Celsius. As a result of the heating, the particle emits 12 spontaneously and essentially without preferred direction significant radiation 14 (LII light) in the form of temperature radiation. Part of the radiation emitted in the form of temperature radiation 14 is therefore also opposite to the direction of the incident laser light 10th emitted.

2 zeigt schematisch einen prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Partikelsensors 16. Der Partikelsensor 16 weist hier ein CW-Lasermodul 18 (CW: continuous wave; Dauerstrich) auf, dessen bevorzugt paralleles Laserlicht 10 mit wenigstens einem im Strahlengang des CW-Lasermoduls 18 angeordneten optischen Element 20 auf einen sehr kleinen Spot 22 fokussiert wird. Das CW-Lasermodul 18 wird bevorzugt mit kleineren Leistungen, insbesondere mit Leistungen zwischen 50 mW und 500 mW, teilweise auch bis zu 5000 mW, betrieben. Das optische Element 20 ist bevorzugt eine erste Linse 24. Nur im Volumen des Spots 22 erreicht die Intensität des Laserlichts 10 die für LII notwendigen hohen Werte. 2nd schematically shows a basic structure of an embodiment of a particle sensor according to the invention 16 . The particle sensor 16 shows here a CW laser module 18th (CW: continuous wave; continuous wave), whose preferred parallel laser light 10th with at least one in the beam path of the CW laser module 18th arranged optical element 20th on a very small spot 22 is focused. The CW laser module 18th is preferably operated with smaller powers, in particular with powers between 50 mW and 500 mW, sometimes also up to 5000 mW. The optical element 20th is preferably a first lens 24th . Only in the volume of the spot 22 reaches the intensity of the laser light 10th the high values necessary for LII.

Die Abmessungen des Spots 22 liegen im Bereich einiger µm, insbesondere im Bereich von zum Beispiel zehn µm. Bei einer angenommenen Partikelkonzentration von 1013 pro m3 kann dann bei typischen Abgasgeschwindigkeiten von Verbrennungsmotoren davon ausgegangen werden, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt immer nur ein Partikel durch den Spot 22 fliegt und zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen angeregt wird, sei es durch laserinduzierte Inkandeszenz oder durch chemische Reaktionen (insbesondere Oxidation). Als Folge kann 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 die Extraktion von Informationen über das Partikel 12 wie Größe und Geschwindigkeit ermöglicht.The dimensions of the spot 22 are in the range of a few μm, in particular in the range of, for example, ten μm. With an assumed particle concentration of 10 13 per m 3 , typical exhaust gas speeds of internal combustion engines can then be assumed to be that only one particle is passing through the spot at a given time 22 flies and is stimulated to emit evaluable radiation powers, be it through laser-induced incandescence or through chemical reactions (especially oxidation). As a result, it can be assumed that there is always at most one particle 12 in the spot 22 and that a current measurement signal of the particle sensor 16 only one at most particle 12 comes from. The measurement signal is from a detector 26 generated in the particle sensor 16 is arranged so that it is from the spot 22 flying particles 12 outgoing radiation 14 , in particular temperature radiation, is detected. The detector 26 preferably has at least one photodiode 26.1 on. This makes a single particle measurement possible, which is the extraction of information about the particle 12 how size and speed allows.

Damit lässt sich die Abgasgeschwindigkeit bestimmen, und die Berechnung eines Partikelgrößenspektrums wird möglich. Die erste Größe ist für die Berechnung der Anzahlkonzentration der Partikel 12 wichtig. In Kombination mit der zweiten Größe kann auch die Massenkonzentration berechnet werden. Dies stellt einen klaren Vorteil gegenüber anderen Messmethoden für die Partikelmessung dar.This enables the exhaust gas velocity to be determined and the calculation of a particle size spectrum is possible. The first size is for calculating the number concentration of the particles 12 important. In combination with the second quantity, the mass concentration can also be calculated. This is a clear advantage over other measurement methods for particle measurement.

Es ist durchaus möglich, dass der Laser des Lasermoduls 18 moduliert bzw. an- und ausgeschaltet wird (duty cycle < 100%). Bevorzugt bleibt jedoch, dass der Laser des Lasermoduls 18 ein CW-Laser ist. Dies ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Halbleiter-Laser-Elementen (Laser-Dioden), was den kompletten Partikelsensor verbilligt und die Ansteuerung des Lasermoduls 18 und die Auswertung des Messsignals stark vereinfacht.It is quite possible that the laser of the laser module 18th is modulated or switched on and off (duty cycle <100%). However, it remains preferred that the laser of the laser module 18th is a CW laser. This enables the use of inexpensive semiconductor laser elements (laser diodes), which makes the entire particle sensor cheaper and the control of the laser module 18th and the evaluation of the measurement signal is greatly simplified.

3 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Partikelsensors 16, der sich für den Einsatz als Partikelsensor im Abgas eines Verbrennungsprozesses eignet. 3rd shows an advantageous embodiment of a particle sensor according to the invention 16 , which is suitable for use as a particle sensor in the exhaust gas of a combustion process.

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

Diese Geometrie hat zur Folge, dass Abgas 32 über den ersten Strömungsquerschnitt in die Anordnung der beiden Schutzrohre 28, 30 eintritt, dann an dem dem Abgas 32 abgewandten Ende der Schutzrohre 28, 30 seine Richtung ändert, in das innere Schutzrohr 30 eintritt und aus diesem vom vorbeiströmenden Abgas 32 herausgesaugt wird. Dabei ergibt sich im Inneren des Schutzrohrs 30 eine laminare Strömung. Diese Anordnung von Schutzrohren 28, 30 wird mit dem Partikelsensor 16 quer zur Abgasströmung an, bzw. in einem Abgasrohr befestigt.This geometry results in exhaust gas 32 over the first flow cross-section into the arrangement of the two protective tubes 28 , 30th occurs, then at the exhaust gas 32 opposite end of the protective tubes 28 , 30th changes its direction in the inner protective tube 30th enters and from this from the exhaust gas flowing past 32 is sucked out. This results in the interior of the protective tube 30th a laminar flow. This arrangement of protective tubes 28 , 30th is with the particle sensor 16 transversely to the exhaust gas flow, or fastened in an exhaust pipe.

Der Partikelsensor 16 weist darüber hinaus das Lasermodul 18 auf, das bevorzugt paralleles Laserlicht 10 erzeugt. Im Strahlengang des bevorzugt parallelen Laserlichtes 10 befindet sich ein Strahlteiler 34. Ein den Strahlteiler 34 ohne Umlenkung durchlaufender Teil des Laserlichtes 10 wird durch das optische Element 20 zu einem sehr kleinen Spot 22 im Inneren des inneren Schutzrohrs 30 fokussiert. In diesem Spot 22 ist die Lichtintensität hoch genug, um die mit dem 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. Die Strahlung 14 liegt zum Beispiel im nah-infraroten und sichtbaren Spektralbereich mit einem Maximum im roten Bereich (bei ca. 750nm), ohne dass die Erfindung auf Strahlung 14 aus diesem Spektralbereich beschränkt ist. Ein Teil dieser ungerichtet in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14, beziehungsweise dieses LlI-Lichtes, wird von dem optischen Element 20 erfasst und über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 gerichtet. Dieser Aufbau hat den besonders wichtigen Vorteil, dass nur ein optischer Zugang zum Abgas 32 benötigt wird, da die gleiche Optik, insbesondere das gleiche optische Element 20 für die Erzeugung des Spots 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, oder eine Flüssigkeit.The particle sensor 16 also points out the laser module 18th on, which prefers parallel laser light 10th generated. In the beam path of the preferably parallel laser light 10th there is a beam splitter 34 . A the beam splitter 34 part of the laser light passing through without deflection 10th is through the optical element 20th to a very small spot 22 inside the inner protective tube 30th focused. In this spot 22 the light intensity is high enough to match that of the exhaust gas 32 transported particles 12 to heat to several thousand degrees Celsius so that the heated particles 12 significant radiation 14 emit in the form of thermal radiation. The radiation 14 lies, for example, in the near-infrared and visible spectral range with a maximum in the red range (at approx. 750 nm) without the invention for radiation 14 is restricted from this spectral range. Part of this radiation, which is emitted non-directionally in the form of thermal radiation 14 , or this LlI light, is from the optical element 20th captured and via the beam splitter 34 on the detector 26 directed. This structure has the particularly important advantage that there is only optical access to the exhaust gas 32 is required because the same optics, in particular the same optical element 20th for the creation of the spot 22 and for the detection of the particle 12 outgoing radiation 14 is used. The exhaust gas 32 is an example of a sample gas. The measuring gas can also be another gas or gas mixture, for example room air, or a liquid.

Beim Gegenstand der 3 weist das Lasermodul 18 eine Laserdiode 36 und eine zweite Linse 38 auf, die das von der Laserdiode 36 ausgehende Laserlicht 10 bevorzugt parallel ausrichtet. Der Einsatz der Laserdiode 36 stellt eine besonders kostengünstige und einfach handhabbare Möglichkeit der Erzeugung von Laserlicht 10 dar. Das bevorzugt parallele Laserlicht 10 wird durch das optische Element 20 zum Spot 22 fokussiert.With the subject of 3rd shows the laser module 18th a laser diode 36 and a second lens 38 on that from the laser diode 36 outgoing laser light 10th preferably aligned in parallel. The use of the laser diode 36 represents a particularly inexpensive and easy-to-use way of generating laser light 10th The preferred parallel laser light 10th is through the optical element 20th to the spot 22 focused.

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

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

Es wäre prinzipiell denkbar, dass das Laserlicht 10 von der Laserdiode 36 bis zur Fokussierlinse 20 mit Hilfe von einem Lichtwellenleiter und entsprechenden ein- und auskoppelnden optischen Elementen geleitet wird. Das Gleiche gilt auch für das zu detektierende LII-Licht, bzw. die Strahlung 14, die von im Spot 22 aufgeheizten Partikeln 12 ausgeht. Es ist auch nicht zwingend erforderlich, dass das Laserlicht 10 und die Lll-Strahlung 14 über die gleiche Linse 20 entsprechend fokussiert und eingesammelt werden. Im Prinzip ist die Erfindung auf einen beliebigen LII-Sensor anwendbar, solange die Partikel über einen fokussierten CW-Laser erhitzt werden und die Abgasstromführung und der Laserstrahl zumindest teilweise parallel verlaufen.In principle, it would be conceivable that the laser light 10th from the laser diode 36 to the focusing lens 20th is guided with the aid of an optical waveguide and corresponding optical elements that couple in and out. The same applies to the LII light to be detected or the radiation 14 that of in the spot 22 heated particles 12 going out. It is also not mandatory that the laser light 10th and the Lll radiation 14 over the same lens 20th be focused and collected accordingly. In principle, the invention can be applied to any LII sensor as long as the particles are heated by a focused CW laser and the exhaust gas flow guide and the laser beam run at least partially in parallel.

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

3 zeigt auch ein zusätzliches Filter 42, das im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler 34 und dem Detektor 26 angeordnet ist. Das Filter 42 zeichnet sich dadurch aus, dass es für das Laserlicht 10 weniger durchlässig ist als für die Strahlung 14, die vom Spot 22 ausgeht, wenn sich dort ein Partikel 12 befindet. 3rd also shows an additional filter 42 that is in the beam path between the beam splitter 34 and the detector 26 is arranged. The filter 42 is characterized in that it is for the laser light 10th is less permeable than for the radiation 14 by the spot 22 goes out when there is a particle 12 located.

Dieses Ausführungsbeispiel verbessert das Signal-to-Noise-Ratio des auf den Detektor 26 fallenden Lichtes deutlich, weil es die Menge an Laserlicht 10, das aufgrund von Rückreflexionen des Laserlichtes 10 an den optischen Komponenten des Partikelsensors 16 auf den Detektor 26 fallen würde, stark reduziert. Solches Laserlicht würde störende Background-Detektorsignale erzeugen, die eine Detektion der z.B. in Form von Temperaturstrahlung von Partikeln im Spot 22 ausgehenden Strahlung 14 erschweren würden. Durch das Filter 42 wird der störende Background für die von Partikeln 12 z.B. in Form von Temperaturstrahlung emittierten Impulse von Strahlung 14 reduziert. Das den Filter 42 aufweisende Ausführungsbeispiel nutzt spezifisch die schmale Bandbreite von Laserlichtquellen (z.B. Laserdioden) aus, indem genau diese schmale Bandbreite vor dem Lichtdetektor 26 ausgefiltert wird. Denkbar ist auch die Verwendung eines einfachen Kantenfilters. Das Signal-to-Noise-Ratio verbessert sich dadurch sehr stark.This embodiment improves the signal-to-noise ratio of the detector 26 falling light clearly because it is the amount of laser light 10th which is due to back reflections of the laser light 10th on the optical components of the particle sensor 16 on the detector 26 would fall, greatly reduced. Such laser light would produce disruptive background detector signals that could be used, for example, to detect particles in the spot in the form of temperature radiation 22 outgoing radiation 14 would complicate. Through the filter 42 becomes the disruptive background for that of particles 12 eg pulses of radiation emitted in the form of thermal radiation 14 reduced. That the filter 42 Embodiment has specifically uses the narrow bandwidth of laser light sources (eg laser diodes) by exactly this narrow bandwidth in front of the light detector 26 is filtered out. It is also conceivable to use a simple edge filter. The signal-to-noise ratio improves significantly as a result.

Bei einem Einbau des Partikelsensors 16 in einen Abgasstrang eines Verbrennungsprozesses erlaubt die mit dem Filter 42 erfolgende Ausfilterung des Anregungslichts (Laserlichtes) in Verbindung mit der fast kompletten Abwesenheit von Fremd-/Umgebungslicht im Abgasstrang die Verwendung von besonders empfindlichen Detektoren 26, z.B. von kostengünstigen SiPM (silicon photomultiplier) oder SPAD-Dioden (single-photon avalanche diode). Als Folge kann bereits ein von einem besonders kleinen Partikel erzeugtes und daher extrem kleines Lichtsignal, das beispielsweise von wenigen 10 Photonen gebildet wird, detektiert werden. Damit sinken die Abmessungen von Partikeln, die gerade noch nachweisbar sind, auf eine untere Nachweisgrenze von 10 bis 100 nm ab.When installing the particle sensor 16 in an exhaust line of a combustion process that allows with the filter 42 filtering of the excitation light (laser light) in connection with the almost complete absence of ambient / ambient light in the exhaust system, the use of particularly sensitive detectors 26 , for example from low-cost SiPM (silicon photomultiplier) or SPAD diodes (single-photon avalanche diode). As a result, a light signal generated by a particularly small particle and therefore extremely small, which is formed, for example, by a few 10 photons, can already be detected. This reduces the dimensions of particles that are just still detectable to a lower detection limit of 10 to 100 nm.

Die Steuer- und Auswerteelektronik 62 kann ein separates Steuergerät sein, oder sie kann in ein Steuergerät integriert sein, das zur Steuerung des Verbrennungsprozesses dient. Die Steuer- und Auswerteelektronik 62 weist ein Steuermodul 64 auf, das die Intensität des vom Lasermodul 18 ausgehenden Laserlichtes 10 steuert. Das Signal des Detektors 26 wird im Steuergerät erfindungsgemäß, das heißt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer seiner Ausgestaltungen, durch eine Auswerteschaltung 66 verarbeitet, die dazu zum Beispiel einen Mikroprozessor und einen Speicher aufweist, in dem Anweisungen zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert sind. Ergebnisse der Verarbeitung werden zum Beispiel an einem Ausgang 67 der Auswerteschaltung 66 oder der Steuer- und Auswerteelektronik 62 bereitgestellt,The control and evaluation electronics 62 can be a separate control unit, or it can be integrated in a control unit that serves to control the combustion process. The control and evaluation electronics 62 has a control module 64 on that the intensity of that from the laser module 18th outgoing laser light 10th controls. The signal from the detector 26 is in the control unit according to the invention, that is to say with the method according to the invention or one of its configurations, by means of an evaluation circuit 66 processed, which for this purpose has, for example, a microprocessor and a memory in which instructions for carrying out a method according to the invention are stored. Processing results are, for example, at an exit 67 the evaluation circuit 66 or the control and evaluation electronics 62 provided,

Das generelle Problem eines solchen und jeden anderen Lll-basierten Partikelsensors ist, dass die Extraktion der absoluten Konzentration der Partikel aus der Zahl der gezählten Partikel/Ereignisse neben der bekannten Abgasgeschwindigkeit auch noch voraussetzt, dass die Größe des Detektionsquerschnitts des Laserspots bekannt ist. Dieser Detektionsquerschnitt kann bei der Herstellung des Partikelsensors zum Beispiel durch eine Kalibration bestimmt werden. Die Größe hängt zum Beispiel von den optischen Bauteilen und der Geometrie der Laserstrahlführung, aber auch von dem Strahlparameterprodukt des verwendeten Lasers ab. Der Detektionsquerschnitt kann sich über lange Einsatzzeiträume des Partikelsensors ändern, zum Beispiel durch eine leichte Verschmutzung des Schutzfensters 40.The general problem of such and any other Lll-based particle sensor is that the extraction of the absolute concentration of the particles from the number of particles / events counted, in addition to the known exhaust gas velocity, also requires that the size of the detection cross section of the laser spot is known. This detection cross section can be determined, for example, by calibration during the manufacture of the particle sensor. The size depends, for example, on the optical components and the geometry of the laser beam guidance, but also on the beam parameter product of the laser used. The detection cross section can change over long periods of use of the particle sensor, for example due to a slight contamination of the protective window 40 .

4 zeigt einen Querschnitt durch einen Laserspot 22 zusammen mit einer Trajektorie 50 eines durch den Laserspot 22 hindurch fliegenden Partikels. Die Richtung der Trajektorie 50 entspricht der Strömungsrichtung des Fluides, mit dem das Partikel transportiert wird. Diese Richtung ist bevorzugt parallel zur Hauptausbreitungsrichtung des Laserlichtes, die hier der z-Richtung entspricht. Die Länge des Laserspots 22 in z-Richtung ist seine laterale Größe. Die Breiten des Laserspots 22 in dazu quer liegenden Richtungen, insbesondere also in x-Richtung und y-Richtung, sind seine transversalen Größen. Der quer zur z-Richtung liegende Querschnitt des Laserspots 22 ist sein Detektionsquerschnitt. 4th shows a cross section through a laser spot 22 along with a trajectory 50 one through the laser spot 22 particles flying through. The direction of the trajectory 50 corresponds to the direction of flow of the fluid with which the particle is transported. This direction is preferably parallel to the main direction of propagation of the laser light, which here corresponds to the z direction. The length of the laser spot 22 in the z direction is its lateral size. The widths of the laser spot 22 in transverse directions, in particular in the x direction and y direction, are its transverse sizes. The cross section of the laser spot that is transverse to the z direction 22 is its detection cross section.

Der Detektionsquerschnitt wird zum Beispiel mit nachlassender Transmission des Schutzfensters 40 kleiner, weil die Intensität des Laserspots 22 dann schwächer wird, so dass der Spot 22 insgesamt schrumpft.The detection cross section becomes, for example, as the transmission of the protective window decreases 40 smaller because of the intensity of the laser spot 22 then becomes weaker, so the spot 22 overall shrinks.

5 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Intensität I einer Temperaturstrahlung, die von einem Partikel ausgeht, das durch den Laserspot 22 hindurchfliegt. Da die Partikel bei der Verwendung von CW-Lasern typischerweise eine Gleichgewichtstemperatur erreichen (absorbierte und emittierte Leistung sind gleich), folgt die LII-Leistung oder Intensität I der Temperaturstrahlung der Laserintensität entlang der Partikeltrajektorie. Deswegen lässt sich bei bekannter Abgas-/Partikelgeschwindigkeit die räumliche Ausdehnung des Laserspots aus der FWHM-Breite/-Dauer des detektierten Lichtpulses bestimmen (FWHM = full width at half maximum). Das Produkt aus der zeitlichen Halbwertsbreite FWHM und der hier als bekannt vorausgesetzten Partikelgeschwindigkeit hat die Dimension einer Länge und ist ein Maß für die laterale Größe des Laserspots 22. Die Geschwindigkeit des Partikels entspricht der Geschwindigkeit des Fluids. Das Fluid ist zum Beispiel Abgas eines Verbrennungsmotors. Die Abgasgeschwindigkeit wird vom Steuergerät des Verbrennungsmotors aus Daten des Verbrennungsmotors wie Ansaugluftmenge und zugemessener Kraftstoffmenge berechnet und kann für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung als bekannt vorausgesetzt werden. 5 shows a time course of the intensity I of a temperature radiation, which emanates from a particle that by the laser spot 22 flies through. Since the particles typically reach an equilibrium temperature when using CW lasers (absorbed and emitted power are the same), the LII power or intensity I follows the temperature radiation of the laser intensity along the particle trajectory. For this reason, the spatial extent of the laser spot can be determined from the FWHM width / duration of the detected light pulse when the exhaust gas / particle speed is known ( FWHM = full width at half maximum). The product of the temporal half-value range FWHM and the particle velocity assumed to be known here has the dimension of a length and is a measure of the lateral size of the laser spot 22 . The speed of the particle corresponds to the speed of the fluid. For example, the fluid is exhaust gas from an internal combustion engine. The exhaust gas speed is calculated by the control unit of the internal combustion engine from data of the internal combustion engine such as intake air quantity and metered fuel quantity and can be assumed to be known for the purposes of the present application.

6 zeigt eine Verteilung n(FWHM) von für eine Vielzahl von Partikeln gemessenen Halbwertsbreiten FWHM. Die Verteilung besitzt ein Maximum n_max beim Wert FWHM(n_max). Dieser Wert FWHM(n_max) wird in einer Ausgestaltung mit der Partikelgeschwindigkeit multipliziert, um die laterale Spot-Größe (bzw. einen Näherungswert dafür) zu ermitteln. In einer alternativen Ausgestaltung wird der maximale Wert von FWHM mit der Partikelgeschwindigkeit multipliziert, um die laterale Spot-Größe (bzw. einen anderen Näherungswert für die laterale Spot-Größe) zu ermitteln. Auch andere Eigenschaften dieser Verteilung können theoretisch zur Bestimmung der lateralen Größe des Laserspots 22 entlang der Abgasstromflussrichtung, die der Richtung der Trajektorie 50 entspricht, verwendet werden. 6 shows a distribution n (FWHM) of half-widths measured for a large number of particles FWHM . The distribution has a maximum n_max in value FWHM (n_max) . This value FWHM (n_max) is multiplied in one embodiment by the particle speed in order to determine the lateral spot size (or an approximate value therefor). In an alternative embodiment, the maximum value of FWHM multiplied by the particle velocity to determine the lateral spot size (or another approximate value for the lateral spot size). Other properties of this distribution can theoretically be used to determine the lateral size of the laser spot 22 along the exhaust gas flow direction, which is the direction of the trajectory 50 corresponds to be used.

Für die Laserstrahlung kann angenommen werden, dass sie eine Gauß‘sche Strahlungscharakteristik aufweist. Da die lateralen und die transversalen Abmessungen des Laserspots eines Gauß‘schen Laserstrahls zusammenhängen, lassen sich aus der lateralen Größe entlang der Partikeltrajektorie auch Rückschlüsse auf die aus Partikelflugrichtung transversal liegende Laserspotgröße und deren ggf. auftretende Änderungen ziehen. Dies funktioniert besonders gut, wenn der Laserstrahl und die Partikelflugrichtung parallel sind. Das Verfahren funktioniert aber auch für beliebige andere Winkel zwischen den beiden Richtungen. Die ursprünglichen Spotabmessungen können aus Berechnungen (mit bekannter Optik und bekanntem Strahlparameterprodukt der Laserlichtquelle) und/oder aus einer anfänglichen Kalibrationsmessung bekannt sein. Die aus Partikelsicht transversalen Spotabmessungen legen einen Detektionsquerschnitt fest, der quer zu der Strömungsrichtung des mit Partikeln beladenen Fluides liegt. Daher beeinflussen Änderungen der transversalen Größe direkt die Berechnung der absoluten Partikelkonzentration aus den gemessenen Detektionsraten.The laser radiation can be assumed to have a Gaussian radiation characteristic. Since the lateral and transverse dimensions of the laser spot of a Gaussian laser beam are related, conclusions can also be drawn from the lateral size along the particle trajectory about the laser spot size lying transversely from the particle flight direction and any changes that may occur. This works especially well if the laser beam and the particle flight direction are parallel. The method also works for any other angle between the two directions. The original spot dimensions can be known from calculations (with known optics and known beam parameter product of the laser light source) and / or from an initial calibration measurement. The spot dimensions, which are transverse from a particle point of view, define a detection cross section which is transverse to the direction of flow of the fluid loaded with particles. Therefore, changes in the transverse size directly influence the calculation of the absolute particle concentration from the measured detection rates.

7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Aus einem Start-Schritt 100 verzweigt das Verfahren in einen Abfrageschritt 102, in dem überprüft wird, ob für die Kalibrierung hinreichend stabile Bedingungen in Bezug auf den Fluid-Strom vorliegen. 7 shows an embodiment of a method according to the invention. From a start step 100 branches the procedure into a query step 102 , in which it is checked whether there are sufficiently stable conditions with regard to the fluid flow for the calibration.

Ein Verneinen dieser Abfrage führt dazu, dass diese Abfrage wiederholt wird.If this query is negated, this query is repeated.

Liegen dagegen hinreichend stabile Bedingungen vor, verzweigt das Verfahren in den Abfrageschritt 104, in dem überprüft wird, ob seit dem Start hinreichend viele Partikel oder Tröpfchen mit guter Signalqualität detektiert worden sind.If, on the other hand, there are sufficiently stable conditions, the method branches to the query step 104 , in which it is checked whether a sufficient number of particles or droplets with good signal quality have been detected since the start.

Ein Verneinen dieser Abfrage führt dazu, dass das Verfahren mit einer Wiederholung des Schritts 102 fortgesetzt wird. Wird die Abfrage dagegen bejaht, verzweigt das Verfahren in den Schritt 106. Im Schritt 106 erfolgt eine Berechnung einer oder mehrerer Halbwertsbreiten FWHM von Detektorsignalen und eine Auswertung ihrer Verteilung n(FWHM). Durch diese Auswertung werden Spot-Parameter bestimmt.A negative This query causes the procedure to repeat the step 102 is continued. If the query is answered in the affirmative, the method branches to the step 106 . In step 106 one or more half-widths are calculated FWHM of detector signals and an evaluation of their distribution n (FWHM). This evaluation determines spot parameters.

Anschließend wird im Abfrageschritt 108 überprüft, ob sich die Spot-Parameter gegenüber früheren Messungen geändert haben. Ein Verneinen dieser Abfrage führt dazu, dass das Verfahren mit einer Wiederholung des Schritts 102 fortgesetzt wird.Then in the query step 108 checks whether the spot parameters have changed compared to previous measurements. A negative answer to this query will result in the procedure repeating the step 102 is continued.

Wird der Abfrageschritt 108 dagegen bejaht, was bei einer Veränderung der Spot-Parameter auftritt, verzweigt das Verfahren in den Abfrageschritt 110. Im Abfrageschritt 110 wird überprüft, ob die Veränderung der Parameter akzeptabel ist. Wenn diese Abfrage bejaht wird, verzweigt das Programm in den Schritt 112. Im Schritt 112 werden Korrekturen vorgenommen.The query step 108 on the other hand, if the change occurs in the spot parameters, the method branches to the query step 110 . In the query step 110 it is checked whether the change in the parameters is acceptable. If the answer to this query is yes, the program branches to the step 112 . In step 112 corrections are made.

Die Korrekturen betreffen die Abmessungen des Spots, insbesondere seinen quer zur Laserstrahlrichtung liegenden Detektionsquerschnitt. Ergibt sich zum Beispiel im Schritt 110 eine Verringerung der physikalisch realen transversalen Spotbreite, wird der bei der Auswertung des Detektorsignals bezüglich der Partikelzahl verwendete Wert der Spotbreite ebenfalls verringert. Ohne eine solche Verringerung würde der Partikelsensor fehlerhaft zu geringe Partikelzahlwerte messen.The corrections relate to the dimensions of the spot, in particular its detection cross section lying transversely to the laser beam direction. For example, in the crotch 110 a reduction in the physically real transverse spot width, the value of the spot width used in evaluating the detector signal with regard to the number of particles is also reduced. Without such a reduction, the particle sensor would incorrectly measure too low a number of particles.

Sind die Veränderungen der Spotparameter dagegen nicht akzeptabel, dann verzweigt das Verfahren in den Schritt 114, in dem eine Fehlermeldung erzeugt wird. Ein Fehler liegt zum Beispiel dann vor, wenn der physikalisch reale Spotdurchmesser zu klein geworden ist, um aussagekräftige Signale zu erzeugen. Die Fehlermeldung wird gespeichert und/oder ausgegeben. Eine Ausgabe erfolgt ggf. nach einer statistischen Absicherung, also wenn die Erzeugung der Fehlermeldung mit einer Häufigkeit erfolgt, die über einem Schwellenwert liegt. Nach der Erzeugung einer Fehlermeldung kehrt das Verfahren vor den Schritt 100 zurück. Beim Vorliegen von Startbedingungen wird das Verfahren erneut gestartet.If, on the other hand, the changes in the spot parameters are not acceptable, then the method branches into the step 114 in which an error message is generated. For example, there is an error if the physically real spot diameter has become too small to generate meaningful signals. The error message is saved and / or output. If necessary, an output is made after statistical validation, i.e. if the error message is generated with a frequency that is above a threshold value. After generating an error message, the method returns to the step 100 back. If there are start conditions, the process is started again.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 2003197863 A [0006, 0007]US 2003197863 A [0006,0007]
  • US 2001/0767104 [0007]US 2001/0767104 [0007]

Claims (12)

Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors (16), der ein einen Laser aufweisendes Lasermodul (18), einen zur Detektion von Temperaturstrahlung (14) eingerichteten Detektor (26), und ein im Strahlengang des Lasers des Lasermoduls (18) angeordnetes optisches Element (20) aufweist, wobei das optische Element dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul (18) ausgehendes Laserlicht (10) in einen Spot (22) zu bündeln, und wobei der Detektor (26) im Partikelsensor (16) so angeordnet ist, dass er vom Spot (22) ausgehende Strahlung (14) detektiert, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Größe des Spots (22) aus der detektierten Strahlung ermittelt wird.Method for operating a particle sensor (16), which has a laser module (18) with a laser, a detector (26) set up for detecting temperature radiation (14), and an optical element (20) arranged in the beam path of the laser of the laser module (18) The optical element is configured to bundle laser light (10) emanating from the laser module (18) into a spot (22), and the detector (26) is arranged in the particle sensor (16) so that it is away from the spot (22) detects outgoing radiation (14), characterized in that at least one size of the spot (22) is determined from the detected radiation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Signale des Partikelsensors in Abhängigkeit von der ermittelten Größe erfolgt.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the evaluation of the signals of the particle sensor is carried out as a function of the determined size. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Spots (22) aus Halbwertsbreiten (FWHM) von detektierten Strahlungspulsen bestimmt wird.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the size of the spot (22) is determined from half-widths (FWHM) of detected radiation pulses. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Halbwertsbreiten (FWHM) von einer Mehrzahl von detektierten Strahlungspulsen bestimmt werden und dass eine Größe des Spots (22) aus einer oder mehreren bestimmten Halbwertsbreiten (FWHM) bestimmt wird.Procedure according to Claim 3 , characterized in that half-value widths (FWHM) are determined by a plurality of detected radiation pulses and that a size of the spot (22) is determined from one or more specific half-value widths (FWHM). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine parallel zu einer Bewegungsrichtung von Partikeln (12) liegende Länge des Spots (22) aus einer maximalen Halbwertsbreite der bestimmten Halbwertsbreiten (FWHM) bestimmt wird.Procedure according to Claim 4 , characterized in that a length of the spot (22) lying parallel to a direction of movement of particles (12) is determined from a maximum half-width of the determined half-widths (FWHM). Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge des Spots (22) aus einer mittleren Halbwertsbreite der bestimmten Halbwertsbreiten (FWHM) bestimmt wird.Procedure according to Claim 5 , characterized in that a length of the spot (22) is determined from an average half-width of the determined half-widths (FWHM). Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus der bestimmten Länge des Spots (22) auch eine in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Partikel (12) transversale Spotabmessung bestimmt wird.Procedure according to one of the Claims 4 to 6 , characterized in that a transverse spot dimension with respect to the direction of movement of the particles (12) is also determined from the determined length of the spot (22). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Größe auch Form und/oder Qualität des Spots (22) beim Betreiben des Partikelsensors (16) bestimmt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that, in addition to the size, the shape and / or quality of the spot (22) are also determined when the particle sensor (16) is operated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Veränderungen der Größe und/oder Form und/oder Qualität gegenüber einer Bezugsgröße ermittelt werden und dass eine Fehlermeldung erzeugt wird, wenn die Veränderung der Größe und/oder Form und/oder Qualität ein nicht akzeptables Ausmaß aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that changes in size and / or shape and / or quality compared to a reference variable are determined and that an error message is generated if the change in size and / or shape and / or quality is an unacceptable Extent. Steuergerät zum Betreiben eines Partikelsensors (16), der ein einen Laser aufweisendes Lasermodul (18), einen zur Detektion von Temperaturstrahlung (14) eingerichteten Detektor (26) und ein im Strahlengang des Lasers des Lasermoduls (18) angeordnetes optisches Element (20) aufweist, wobei das optische Element dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul (18) ausgehendes Laserlicht (10) in einen Spot (22) zu bündeln, und wobei der Detektor (26) im Partikelsensor (16) so angeordnet ist, dass er vom Spot (22) ausgehende Strahlung (14) detektiert, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, einen Peak im Ausgangssignal des Detektors zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Größe des Spots (22) aus der detektierten Strahlung zu ermitteln.Control device for operating a particle sensor (16), which has a laser module (18) having a laser, a detector (26) set up for detecting temperature radiation (14) and an optical element (20) arranged in the beam path of the laser of the laser module (18) , wherein the optical element is configured to bundle laser light (10) emanating from the laser module (18) into a spot (22), and wherein the detector (26) is arranged in the particle sensor (16) in such a way that it detects from the spot ( 22) detects outgoing radiation (14), the control device being set up to detect a peak in the output signal of the detector, characterized in that the control device is set up to determine at least one size of the spot (22) from the detected radiation. Steuergerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die Signale des Partikelsensors in Abhängigkeit von der ermittelten Größe und/oder Form und/oder Qualität auszuwerten.Control unit after Claim 10 , characterized in that the control device is set up to evaluate the signals of the particle sensor depending on the determined size and / or shape and / or quality. Steuergerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass es dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9 auszuführen.Control unit after Claim 10 or 11 , characterized in that it is set up to carry out a method according to one of the Claims 2 to 9 to execute.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP3877751B1 (en) * 2018-11-06 2023-08-23 Robert Bosch GmbH Particle sensor for the detection of particles or aerosols in a streaming fluid using laser induced incandecence

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US20030197863A1 (en) 2002-04-05 2003-10-23 Snelling David R. Small particle analysis by laser induced incandescence

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