DE102019200771A1

DE102019200771A1 - Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Fluid führenden Bereich unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz

Info

Publication number: DE102019200771A1
Application number: DE102019200771.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Doering; Radoslav Rusanov; Michael Brozio; Sonja Knies
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2020-07-23
Also published as: EP3914895A1; WO2020151852A1

Abstract

Eine Vorrichtung (10) dient zur Detektion von Partikeln (24) in einem Fluid (36) führenden Bereich (40) unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz, wobei die Vorrichtung (10) umfasst: eine Laserquelle (12), eine Einrichtung (27) zum Erzeugen eines Laserlicht-Spots (22) in dem Fluid führenden Bereich (40), und einen Detektor (32) zum Erfassen einer Temperaturstrahlung (26), die von einem in dem Laserlicht-Spot (22) befindlichen Partikel (24) ausgeht. Es wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung (10) mindestens eine erste Lichtleitereinrichtung (48) und mindestens eine zweite Lichtleitereinrichtung (50) umfasst, wobei die erste Lichtleitereinrichtung (48) zwischen der Laserquelle (12) und dem Laserlicht-Spot (22) so angeordnet ist, dass sie wenigstens bereichsweise das Laserlicht (14) leitet, und wobei die zweite Lichtleitereinrichtung (50) zwischen dem Laserlicht-Spot (22) und dem Detektor (32) so angeordnet ist, dass sie wenigstens bereichsweise die Temperaturstrahlung (26) leitet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Fluid führenden Bereich unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 10 2017 207 402 A1 ist eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Fluid führenden Bereich unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz in Form eines Partikelsensors bekannt. Dabei werden in einem Abgas führenden Bereich vorhandene Partikel, beispielsweise Rußpartikel, mit einem auf einen Laserlicht-Spot fokussierten Laserlicht auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt, so dass sie signifikant Wärme- bzw. Temperaturstrahlung emittieren. Diese thermisch induzierte Lichtemission der Partikel wird mit einem Lichtdetektor gemessen.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung basiert auf der Detektion von Partikeln in einem Fluid unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz (LII). Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass als Partikel insbesondere Rußpartikel und als Fluid insbesondere das Abgas einer Verbrennungsanlage oder Brennkraftmaschine infrage kommen. Grundsätzlich eignet sich die Vorrichtung jedoch zur Detektion ganz allgemein von Partikeln und Aerosolen in jeglichem Fluid. Das Konzept ermöglicht sowohl die Bestimmung der Massen- (mg/m³ bzw. mg/km) als auch der Anzahlkonzentration (Partikel/m³ oder Partikel/km) der Partikel. Auch eine Messung der Partikelgrößenverteilung wird möglich. Die Vorrichtung kann beispielhaft zur Zustandsüberwachung eines Partikelfilters bei Benzin- oder Dieselfahrzeugen eingesetzt werden. Ebenso ist eine Verwendung der Vorrichtung für andere Szenarien und Einsatzbereiche denkbar (z.B. bei Portable Emission Monitoring Systemen, Messung der Raumluftqualität, Emissionen von Verbrennungsanlagen).
Bei dem Prinzip der laserinduzierten Inkandeszenz wird zunächst mit Laserlicht, welches von einem Laser ausgeht und vorzugsweise in einem Laserlicht-Spot, also einem Volumenbereich mit kleinsten Abmessungen im µm- oder nm-Bereich, mit genügend hoher Intensität gebündelt ist, ein Partikel durch teilweise Absorption des Laserlichts auf mehrere tausend Grad erhitzt. Dieser heiße Partikel gibt nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz eine charakteristische Temperaturstrahlung ab (Inkandeszenz bzw. Glühemission), welche als Messsignal dient und mit einem Detektor empfangen wird.
Zu diesem Zweck wird beispielsweise ein im Strahlengang des Lasers angeordnetes optisches Element (beispielsweise in Form einer Fokussierlinse) verwendet, das dazu ausgebildet und eingerichtet ist, das von dem Laser ausgehende Laserlicht in dem sehr kleinen Laserlicht-Spot zu bündeln. Bei einem Fokusdurchmesser von z.B. ungefähr 10 µm kann davon ausgegangen werden, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt immer nur ein Partikel den Laserlicht-Spot durchfliegt (intrinsische Einzelpartikel-Detektierbarkeit), wenn man eine Partikelkonzentration von ungefähr 10¹⁰-10¹³/m³ zu Grunde legt. Der Detektor ist so eingerichtet und angeordnet, dass er die vom Laserlicht-Spot ausgehende Temperaturstrahlung detektiert. Als Laser können kostengünstige Halbleiterlaserdioden eingesetzt werden. Die Detektion der Temperaturstrahlung kann z.B. mittels eines Multi-Pixel-Photon-Counters (MPPC) oder eines Silicon-Photon-Multipliers (SiPM) erfolgen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst insbesondere: eine Laserquelle, eine Einrichtung zum Erzeugen eines Laserlicht-Spots in dem Fluid führenden Bereich, und einen Detektor zum Erfassen einer Temperaturstrahlung, die von einem in dem Laserlicht-Spot befindlichen Partikel ausgeht. Ferner umfasst die Vorrichtung mindestens eine erste Lichtleitereinrichtung und mindestens eine zweite Lichtleitereinrichtung. Derartige Lichtleitereinrichtungen umfassen üblicherweise transparente Bauteile wie Fasern, Röhren oder Stäbe, die Licht über kurze oder lange Strecken transportieren. Die Lichtleitung wird dabei durch Reflexion an der Grenzfläche der Lichtleitereinrichtungen entweder durch Totalreflexion auf Grund eines geringeren Brechungsindex das den Lichtleiter umgebenden Mediums oder durch Verspiegelung der Grenzfläche erreicht.
Die erste Lichtleitereinrichtung ist zwischen der Laserquelle und dem Laserlicht-Spot so angeordnet, dass sie wenigstens bereichsweise insbesondere das Laserlicht und nicht die Temperaturstrahlung leitet, und die zweite Lichtleitereinrichtung ist zwischen dem Laserlicht-Spot und dem Detektor so angeordnet, dass sie wenigstens bereichsweise insbesondere die Temperaturstrahlung und nicht das Laserlicht leitet. Es werden also einerseits für die Leitung des Laserlichts und andererseits für die Leitung der Temperaturstrahlung unterschiedliche Lichtleitereinrichtungen verwendet. Dabei ist jedoch an dieser Stelle darauf hinzuweisen, dass es in der Praxis fast unmöglich ist, in der einen Lichtleitereinrichtung wirklich ausschließlich Laserlicht und in der anderen Lichtleitereinrichtung wirklich ausschließlich Temperaturstrahlung zu leiten, da es insbesondere durch Streuung zur Einkopplung Temperaturstrahlung in die erste Lichtleitereinrichtung und zur Einkopplung von Laserlicht in die zweite Lichtleitereinrichtung kommen kann. Gleichwohl wird durch die erste Lichtleitereinrichtung weit überwiegend das Laserlicht geleitet, und durch die zweite Lichtleitereinrichtung wird weit überwiegend die Temperaturstrahlung geleitet.
Durch die besondere Topologie der Vorrichtung und insbesondere die Verwendung und die Anordnung der genannten Lichtleitereinrichtungen wird der Aufbau der Vorrichtung erheblich vereinfacht, beispielsweise durch eine Reduktion der erforderlichen optischen Komponenten, was insbesondere den Einstellungsaufwand („Justage“) vor einer Inbetriebnahme reduziert. Auch kann durch die Erfindung die Temperaturstrahlung besser „eingesammelt“ werden, wodurch das Signalrauschen („signal-to-noise-ratio“ oder „SNR“) reduziert wird. Aufgrund der hohen Leitungseffizienz von Lichtleitereinrichtungen können die empfindlichen optischen Elemente der Vorrichtung, beispielsweise die Laserquelle und der Detektor, relativ weit entfernt von dem thermisch und oft auch chemisch hoch belasteten Fluid führenden Bereich angeordnet werden, wodurch die mechanische und thermische Stabilität der Vorrichtung verbessert wird.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Lichtleitereinrichtung und die zweite Lichtleitereinrichtung wenigstens bereichsweise koaxial zueinander angeordnet sind. Eine solche koaxiale Anordnung ist platzsparend und gestattet eine einfache und flexible Anordnung der beiden Lichtleitereinrichtungen.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die das Laserlicht leitende erste Lichtleitereinrichtung radial innen und die die Temperaturstrahlung leitende zweite Lichtleitereinrichtung radial außen angeordnet ist. Durch die somit insgesamt in etwa ringförmige äußere zweite Lichtleitereinrichtung wird insbesondere eine sehr einfache Einkopplung der ungerichteten Temperaturstrahlung, die von einem Partikel im Laserlicht-Spot ausgeht, ermöglicht, und gleichzeitig wird durch die innere erste Lichtleitereinrichtung die Bildung eines wenigstens im Wesentlichen punktförmigen Laserlicht-Spots erleichtert.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der lichtleitende Gesamtquerschnitt der ersten Lichtleitereinrichtung kleiner ist als der lichtleitende Gesamtquerschnitt der zweiten Lichtleitereinrichtung. Hierdurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die Intensität der von einem im Laserlicht-Spot befindlichen Partikel emittierten und in die zweite Lichtleitereinrichtung einkoppelbaren Temperaturstrahlung meist erheblich kleiner ist als die Intensität des von der ersten Lichtleitereinrichtung zu transportierenden Laserlichts. Für die Temperaturstrahlung wird somit ein größerer Leitungsquerschnitt zur Verfügung gestellt und damit ebenfalls das Signalrauschen günstig beeinflusst.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass mindestens eine der beiden Lichtleitereinrichtungen ein Bündel einzelner Lichtleiter umfasst. In der SCU („sensor control unit“), also einer Einheit, in der die Laserquelle und der Detektor und gegebenenfalls auch weitere elektronische Elemente angeordnet sind, sind in einem solchen Fall weniger optische Elemente erforderlich, im günstigsten Fall kann sogar auf jegliche sogenannte „Freistrahloptik“, beispielsweise Strahlteiler etc., verzichtet werden. Hierdurch wird der Einrichtungsaufwand , also die sogenannte „Justage“, erheblich verringert.
Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass der lichtleitende Querschnitt eines einzelnen Lichtleiters der zweiten Lichtleitereinrichtung größer ist als der lichtleitende Querschnitt des Lichtleiters der ersten Lichtleitereinrichtung. Wie bereits oben ausgeführt wurde, wird auf diese Weise der intensitätsschwächeren Temperaturstrahlung ein größerer Querschnitt für die Lichtleitung zur Verfügung gestellt als dem intensitätsstärkeren Laserlicht, wodurch das Signalrauschen günstig beeinflusst wird.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass jeder Lichtleiter des Bündels von Lichtleitern ein eigenes Cladding aufweist. Dies erhöht die mechanische Stabilität und den Wirkungsgrad der Lichtleitung.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass vom Laserlicht-Spot weg weisende Endbereiche der beiden Lichtleitereinrichtungen, von denen vorzugsweise mindestens eine durch ein Bündel einzelner Lichtleiter gebildet ist, voneinander beabstandet sind, wobei der Endbereich der ersten Lichtleitereinrichtung der Laserquelle und der Endbereich der zweiten Lichtleitereinrichtung dem Detektor zugeordnet ist. Somit kann auf einen Strahlteiler („Beamsplitter“), der ansonsten erforderlich ist, um die Temperaturstrahlung aus der vom Laserlicht-Spot zurückgestrahlten Gesamtstrahlung herauszuteilen und zum Detektor zu leiten, verzichtet werden, wodurch Kosten gespart werden und die gesamte Vorrichtung mechanisch noch robuster wird..
Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass der vom Laserlicht-Spot weg weisende Endbereich der zweiten Lichtleitereinrichtung die Temperaturstrahlung direkt und ohne Zwischenschaltung einer Linse zu dem Detektor leitet. Hierdurch werden nochmals Kosten gespart und wird nochmals die mechanische Robustheit der Vorrichtung erhöht.
Bei einer alternativen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Lichtleitereinrichtung und die zweite Lichtleitereinrichtung als eine koaxiale und vorzugsweise gemeinsam hergestellte („gezogene“) Double-Clad-Faser ausgebildet sind. Eine Double-Clad-Faser (DCF) ist eine Glasfaser, die mindestens aus einem Kernglas und einem Mantelglas besteht, wobei das Mantelglas das Kernglas umschließt. Meist haben die beiden Gläser unterschiedliche Brechungsindizes. Dabei wird die erste Lichtleitereinrichtung vorzugsweise durch das Kernglas und die zweite Lichtleitereinrichtung durch das Mantelglas gebildet. Eine solche Double-Clad-Faser ist äußerst robust und führt zu einer vereinfachten Topologie der Vorrichtung, da letztlich nur eine einstückige Faser verwendet wird.
Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass zwischen einem zum Laserlicht-Spot hin weisenden Ende der beiden Lichtleitereinrichtungen und dem Laserlicht-Spot mindestens eine erste Linse angeordnet ist, welche das Laserlicht aus der ersten Lichtleitereinrichtung auskoppelt und die Temperaturstrahlung in die zweite Lichtleitereinrichtung einkoppelt. Eine solche Linse („Ein- und Auskoppellinse“) sorgt somit sowohl für die Auskopplung des Laserlichts als auch die Einkopplung der Temperaturstrahlung, wodurch die Kosten sowie der erforderliche Bauraum reduziert werden.
Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Linse und dem Laserlicht-Spot mindestens eine zweite Linse angeordnet ist, welche einen größeren Durchmesser als die erste Linse aufweist und vorzugsweise als asphärische Linse ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass die erste Linse sehr viel kleiner sein kann und dadurch der Einsatz einer kleinen asphärischen Linse möglich wird, wodurch eine bessere Auskopplung des Laserlichts und eine bessere Einkopplung der Temperaturstrahlung möglich werden. Grundsätzlich denkbar ist dabei sogar, dass auf die erste Linse vollständig verzichtet wird, wodurch die Kosten nochmals erheblich reduziert werden, und auch der erforderliche Bauraum deutlich kleiner wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die optischen Elemente zwischen einerseits der Laserquelle und dem Detektor und andererseits den beiden Lichtleitereinrichtungen durch einen einzigen, einstückigen oder mehrstückigen Glaskörper realisiert sind. Hierdurch wird die mechanische Robustheit der Vorrichtung nochmals deutlich verbessert. Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Realisierung der optischen Elemente durch den besagten Glaskörper eine eigenständige und von der Realisierung des Lichttransports durch die oben erwähnten Lichtleitereinrichtungen unabhängig beanspruchbare Erfindung darstellt.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine schematisierte Darstellung des Aufbaus einer Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Fluid führenden Bereich unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz in Form eines Partikelsensors, mit einer ersten Ausführungsform einer ersten Lichtleitereinrichtung und einer zweiten Lichtleitereinrichtung;
2 eine vergrößerte Darstellung der beiden Lichtleitereinrichtungen von 1;
3 einen Schnitt durch die beiden Lichtleitereinrichtungen von 2;
4 eine weiter schematisierte Darstellung der Vorrichtung von 1;
5 eine Darstellung ähnlich zu 4 einer abgewandelten Ausführungsform;
6 einen schematischen Schnitt durch eine alternative Ausgestaltung optischer Komponenten der Vorrichtung von 1;
7 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform von zwei Lichtleitereinrichtungen;
8 eine schematisierte Seitenansicht der Lichtleitereinrichtungen von 7;
9 einen teilweisen Schnitt durch die Lichtleitereinrichtungen der 7 und 8 und insbesondere durch eine mögliche Ausgestaltung der Vorrichtung in einem Abgas führenden Bereich; und
10 eine Darstellung ähnlich zu 9 einer abgewandelten Ausführungsform.

Funktionsäquivalente Elemente und Bereiche tragen in der nachfolgenden Beschreibung die gleichen Bezugszeichen und werden im allgemeinen nicht mehrfach erläutert.
1 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Fluid führenden Bereich unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz, und zwar in Form eines Partikelsensors 10. Man erkennt zunächst einen Laser 12, vorliegend beispielhaft einen CW-Laser (CW = continuous wave, also „Dauerstrich“), der Laserlicht 14 emittiert. Der Laser 12 kann insbesondere eine Laserdiode aufweisen, was sehr kostengünstig ist. Das Laserlicht 10 wird durch eine Linse 16 („Kollimationslinse“) zunächst zu einem parallelen Strahl geformt, der durch einen Strahlteiler 18 beispielsweise in Form eines Beamsplitters oder eines dichroitischen Spiegels hindurchtritt. Von dort gelangt er auf weiter unten noch zu erläuternde Art und Weise zu einer Fokussierlinse 20 und weiter in fokussierter Form zu einem Laserlicht-Spot 22. Als Laserlicht-Spot 22 wird hier ein Volumenelement mit sehr kleinen Abmessungen im µm-Bereich oder sogar im nm-Bereich verstanden, in dem das Laserlicht 14 extrem fokussiert und somit extrem energiedicht bzw. intensiv ist.
Laserlicht 14 hoher Intensität kann im Laserlicht-Spot 22 auf einen dort vorhandenen Partikel 24 treffen, beispielsweise einen Rußpartikel in einem Abgasstrom 36 einer Brennkraftmaschine. Die Intensität des Laserlichts 14 ist im Laserlicht-Spot 22 so hoch, dass die vom Partikel 24 absorbierte Energie des Laserlichtes 14 den Partikel 24 auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt (nur im Volumen des Laserlicht-Spots 22 erreicht die Intensität des Laserlichts 14 die für laserinduzierte Inkandeszenz (LII) notwendigen hohen Werte). Als Folge der Erhitzung emittiert der Partikel 24 spontan und im Wesentlichen ohne Vorzugsrichtung signifikant Temperaturstrahlung 26, auch als LlI-Licht bezeichnet. Ein Teil der Temperaturstrahlung 26 wird daher auch entgegengesetzt zur Richtung des einfallenden Laserlichtes 14 emittiert. Die Temperaturstrahlung 26 liegt zum Beispiel im nah-infraroten und sichtbaren Spektralbereich, ist jedoch nicht auf diesen Spektralbereich beschränkt. Der Laser 12, die Linse 16, der Strahlteiler 18 und die Fokussierlinse 20 bilden insoweit eine Einrichtung 27 zum Erzeugen des Laserlicht-Spots 22.
Die Temperaturstrahlung 26 eines im Laserlicht-Spot 22 durch das Laserlicht 14 angeregten Partikels 24 gelangt wiederum durch die Fokussierlinse 20 zurück zum Strahlteiler 18, wo sie um 90° abgelenkt wird, durch eine Fokussierlinse 28 hindurchtritt und durch einen Filter 30 (dieser ist nicht zwingend vorhanden) zu einem Detektor 32 gelangt. Der Filter 30 ist so ausgebildet, dass er die Wellenlängen des Laserlichts 14 zumindest weitgehend ausfiltert, welches in geringem Umfang ebenfalls zurückgestrahlt wird. Durch den Filter 30 wird also der störende Background reduziert. Denkbar ist auch die Verwendung eines einfachen Kantenfilters. Das Signal-to-Noise-Ratio verbessert sich dadurch.
Die Abmessungen des Laserlicht-Spots 22 liegen vorzugsweise im Bereich einiger µm, insbesondere im Bereich von höchstens 100-200 µm, so dass den Laserlicht-Spot 22 durchquerende Partikel 24 zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen angeregt werden. Als Folge kann davon ausgegangen werden, dass sich meist, abhängig von der Gaskonzentration, höchstens ein Partikel 24 in dem Laserlicht-Spot 22 befindet und dass ein momentanes Ausgangssignal 34 des Partikelsensors 10 nur von diesem höchstens einen Partikel 24 stammt.
Das Ausgangssignal 34 wird von dem Detektor 32 erzeugt, der im Partikelsensor 10 so angeordnet ist, dass er vom den Laserlicht-Spot 22 durchfliegenden Partikel 24 ausgehende Strahlung 26, insbesondere Temperaturstrahlung detektiert. Der Detektor 32 umfasst bevorzugt einen Multi-Pixel-Photon-Counter (MPPC) oder einen Silicon-Photon-Multiplier (SiPM) oder eine SPAD-Diode (single-photon avalanche diode), welche(r) die Temperaturstrahlung 26 erfasst und das vorliegend beispielhaft digitale Ausgangssignal 34 erzeugt. Mit den oben genannten Typen von Detektoren 32 kann bereits ein von einem besonders kleinen Partikel 24 erzeugtes und daher extrem kleines Lichtsignal, das beispielsweise von wenigen Photonen gebildet wird, detektiert werden. Damit sinken die Abmessungen von Partikeln 24, die gerade noch nachweisbar sind, auf eine untere Nachweisgrenze von bis zu 10 nm ab.
Es ist durchaus möglich, dass der Laser 12 moduliert bzw. an- und ausgeschaltet wird (duty cycle < 100%). Bevorzugt bleibt jedoch, dass der Laser 12 ein CW-Laser ist. Dies ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Halbleiter-Laser-Elementen (Laser-Dioden), was den kompletten Partikelsensor 10 verbilligt und die Ansteuerung des Lasermoduls 12 und die Auswertung des Ausgangssignals 34 stark vereinfacht. Die Verwendung gepulster Laser ist aber nicht ausgeschlossen.
In 1 ist durch einen Pfeil 36 auch Abgas symbolisiert, wie es beispielsweise bei einem Verbrennungsprozesses, beispielsweise in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine (Diesel oder Benzin) eines Kraftfahrzeugs erzeugt wird. Der Partikelsensor 10 weist eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr 38 und einem inneren Schutzrohr 40 auf. Die Achsen der Schutzrohre 38,40 sind quer zur Strömung des Abgases 36 ausgerichtet. Das innere Schutzrohr 40 ragt in Richtung der Achsen über das äußere Schutzrohr 38 hinaus und in das strömende Abgas 36 hinein. An dem vom strömenden Abgas 36 abgewandten Ende der beiden Schutzrohre 38, 40 ragt das äußere Schutzrohr 38 über das innere Schutzrohr 40 hinaus. Die lichte Weite des äußeren Schutzrohrs 38 ist bevorzugt so viel größer als der äußere Durchmesser des inneren Schutzrohrs 40, dass sich zwischen den beiden Schutzrohren 38, 40 ein erster und vorliegend in etwa kreisringförmiger Strömungsquerschnitt ergibt. Die lichte Weite des inneren Schutzrohrs 40 bildet einen zweiten und vorliegend kreisförmigen Strömungsquerschnitt.
Diese Geometrie hat zur Folge, dass Abgas 36 über den ersten Strömungsquerschnitt in die Anordnung der beiden Schutzrohre 38, 40 eintritt, dann an dem vom Abgas 36 abgewandten Ende der Schutzrohre 38,40 seine Richtung ändert, in das innere Schutzrohr 40 eintritt und aus diesem vom vorbeiströmenden Abgas 36 herausgesaugt wird (Pfeile mit dem Bezugszeichen 42). Dabei ergibt sich im inneren Schutzrohr 40 eine laminare Strömung. Diese Anordnung von Schutzrohren 38, 40 wird quer zur Strömungsrichtung des Abgases 36 an bzw. in einem Abgasrohr (in 1 nicht gezeichnet) befestigt. Der Laserlicht-Spot 22 befindet sich im Inneren des inneren Schutzrohrs 40.
Der Partikelsensor 10 weist bevorzugt einen dem Abgas 36 ausgesetzten ersten Teil 44 (Schutzrohre 38 und 40) und einen dem Abgas 36 nicht ausgesetzten zweiten Teil 46 auf, der die optischen und elektronischen Komponenten des Partikelsensors 10 enthält. Der Teil 44 wird auch als „Sensorkopf“ bezeichnet, der Teil 46 auch als „SCU “ („sensor control unit“). Die beiden Teile 44 und 46 sind durch eine erste Lichtleitereinrichtung 48 und eine zweite Lichtleitereinrichtung 50 miteinander verbunden, die vorliegend beispielhaft koaxial zueinander angeordnet sind, siehe auch 2. Dabei ist die erste Lichtleitereinrichtung 48 radial innen und die zweite Lichtleitereinrichtung 50 radial außen angeordnet. Wie weiter unten noch im Detail ausgeführt werden wird, ist die erste Lichtleitereinrichtung 48 so angeordnet, dass sie das Laserlicht 14 vom zweiten Teil 46 zum ersten Teil 44 des Partikelsensors 10 leitet, und die zweite Lichtleitereinrichtung 50 ist so angeordnet, dass sie insbesondere die Temperaturstrahlung 26 vom ersten Teil 44 zum zweiten Teil 46 leitet.
Zur Einkopplung des Laserlichts 14 in die erste Lichtleitereinrichtung 48 ist im zweiten Teil 46 zwischen dem Strahlteiler 18 und den beiden Lichtleitereinrichtungen 48 und 50 eine Linse 52 angeordnet, welche auch zur Auskopplung der Temperaturstrahlung 26 aus der zweiten Lichtleitereinrichtung 50 und Weiterleitung der Temperaturstrahlung 26 hin zum Strahlteiler 18 dient. Zur Auskopplung des Laserlichts 14 aus der ersten Lichtleitereinrichtung 48 ist im ersten Teil 44 zwischen den beiden Lichtleitereinrichtungen 48 und 50 und der Fokussierlinse 20 eine Ein- und Auskoppellinse 54 (auch „Kollimationslinse“ genannt) angeordnet, welche auch zur Einkopplung der Temperaturstrahlung 26 in die zweite Lichtleitereinrichtung 50 dient. Die Ein- und Auskoppellinse 54 bildet insoweit eine erste Linse, wohingegen die Fokussierlinse 20 insoweit eine zweite Linse bildet.
Wie aus 3 hervorgeht, können die beiden Lichtleitereinrichtungen 48 und 50 als eine sogenannte „Double-Clad-Faser“ 55 ausgebildet sein. Eine solche Double-Clad-Faser (DCF) ist eine Glasfaser, die vorliegend beispielhaft aus einem radial inneren Kernglas 56 und einem radial äußeren Mantelglas 58 besteht, wobei das insoweit ringförmigen Querschnitt aufweisende Mantelglas 58 das Kernglas 56 umschließt. Die beiden Gläser 56 und 58 können unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Die erste Lichtleitereinrichtung 48 wird vorliegend durch das Kernglas 56 und die zweite Lichtleitereinrichtung 50 durch das Mantelglas 58 gebildet. Man erkennt aus 3, dass der lichtleitende Gesamtquerschnitt der ersten Lichtleitereinrichtung 48 deutlich kleiner ist als der lichtleitende Gesamtquerschnitt der zweiten Lichtleitereinrichtung 50. Die erste Lichtleitereinrichtung 48 hat beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 3-15 µm, und die zweite Lichtleitereinrichtung 50 hat beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 70-350 µm. Sie sind vorliegend als einstückige Teile gemeinsam hergestellt („gezogen“).
In 4 ist die Anordnung der optischen Komponenten im Strahlengang vom Laser 12 bis zur ersten Lichtleitereinrichtung 48 und im Strahlengang von der zweiten Lichtleitereinrichtung 50 bis zum Detektor 32 in der SCU 46 („sensor control unit“) dargestellt. Die SCU ist dabei in zwei Abschnitte unterteilt, nämlich einen ersten Abschnitt 62, in dem die besagten optischen Komponenten sowie der Laser 12 und der Detektor 32 angeordnet sind, und einen zweiten Abschnitt 64, in dem eine für die Ansteuerung des Lasers 12 und die Verarbeitung des Ausgangssignals 34 des Detektors 32 erforderliche Elektronik 66 angeordnet ist.
Bei der Ausführungsform der 4 sind die erste Linse 54 (Ein- und Auskoppellinse) und die zweite Linse 20 (Fokussierlinse) in etwa gleich groß ausgebildet. Bei der Ausführungsform der 5 ist die Fokussierlinse 20 mit einem erheblich größeren Durchmesser als die Ein- und Auskoppellinse 54 ausgebildet, und sie ist vorzugsweise als asphärische Fokussierlinse 20 ausgebildet. Bei einer solchen Ausgestaltung wäre es auch möglich, dass auf die Ein- und Auskoppellinse 54 vollständig verzichtet wird.
6 zeigt eine alternative Ausgestaltung der optischen Elemente 16, 18, 28 und 52 im Bereich von Laser 12 und Detektors 32. Bei dieser Ausgestaltung sind die besagten optischen Elemente 16, 18, 28 und 52 durch einen einzigen und vorliegend beispielhaft mehrstückigen Glaskörper 68 realisiert. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform könnte der Glaskörper 68 auch einstückig sein. Insgesamt umfasst der Glaskörper 68 drei Teilkörper 68a-c. Der Teilkörper 68a umfasst in 6 links zum Detektor 32 hin einen von außen gesehen konvexen Abschnitt, der die Fokussierlinse 28 bildet. Am in 6 rechten Rand weist der Glaskörper 68a eine geradlinige Schräge auf, die den Strahlteiler 18 bildet. Der Teilkörper 68b umfasst in 6 unten zum Laser 12 hin einen von außen gesehen konvexen Abschnitt, der die Kollimationslinse 16 bildet. Der Teilkörper 68c weist an seinem in 6 linken Rand zum Strahlteiler 18 hin einen vom Strahlteiler 18 aus gesehen konvexen Abschnitt auf, der die Ein- und Auskoppellinse 52 bildet. Ein innerer Bereich 68d zwischen den Teilkörpern 68a-c ist hohl, so dass der für die Brechung bzw. Reflexion notwendige Dichteunterschied der Medien erreicht wird. Insgesamt bilden die Teilkörpern 68a-c den in der Schnittansicht von 6 insgesamt in etwa quadratischen Glaskörper 68.
Die 7-10 zeigen eine Vorrichtung 10 mit einer alternativen Ausführungsform von erster Lichtleitereinrichtung 48 und zweiter Lichtleitereinrichtung 50. Wie aus 7 ersichtlich ist, sind die beiden Lichtleitereinrichtungen 48 und 50 als Bündel einzelner Glasfaser-Lichtleiter 70ag gebildet. Dabei wird die erste Lichtleitereinrichtung 48 durch den in der Querschnittsansicht von 7 zentrischen Lichtleiter 70a gebildet, wohingegen die zweite Lichtleitereinrichtung 50 durch die in Umfangsrichtung um den zentrischen Lichtleiter 70a gleichmäßig verteilt angeordneten Lichtleiter 70b-g gebildet wird.
Jeder Lichtleiter 70a-g weist einen Glaskern 72 und ein Cladding 74 auf, wobei die entsprechenden Bezugszeichen in 7 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur für den Lichtleiter 70c eingezeichnet sind. Der innere zentrische Lichtleiter 70a hat einen deutlich kleineren Durchmesser als die äußeren Lichtleiter 70b-g. Beispielsweise hat der innere zentrische Lichtleiter 70a einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 3-15 µm, wohingegen die äußeren Lichtleiter 70b-g einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 50-350 µm haben. Der innere Lichtleiter 70a dient zur Leitung des Laserlichts 14 vom Laser 12 in Richtung zum Laserlicht-Spot 22, wohingegen die äußeren Lichtleiter 70b-g die Temperaturstrahlung 26 vom Laserlicht-Spot 22 in Richtung zum Detektor 32 leiten.
Wie aus 8 ersichtlich ist, wird im Bereich des Lasers 12 und des Detektors 32 das Bündel aus einzelnen Lichtleitern 70a-g insoweit aufgelöst, als ein Endbereich 76 des mittigen Lichtleiters 70a aus dem Bündel von Lichtleitern 70ag herausgelöst und mit Abstand zu den anderen Lichtleitern 70b-g zum Laser 12 geführt wird, so dass dieser Endbereich 76 unmittelbar dem Laser 12 und nur dem Laser 12 zugeordnet ist. Der Endbereich 78 des verbleibenden Bündels aus Lichtleitern 70b-g wird mit entsprechendem Abstand zum Endbereich 76 zum Detektor 32 geführt, so dass dieser Endbereich 78 unmittelbar dem Detektor 32 und nur dem Detektor 32 zugeordnet ist. Man erkennt ebenfalls aus 8, dass auf jegliche Freistrahloptik (beispielsweise Strahlteiler, Fokussierlinse, etc.) zwischen der zweiten Lichtleitereinrichtung 50 und dem Detektor 32 verzichtet werden kann. Stattdessen tritt die Temperaturstrahlung 26 an den dem Detektor 32 zugewandten Enden der Lichtleiter 70b-g aus diesen aus, und die Temperaturstrahlung 26 gelangt dann direkt über den Filter 30 zum Detektor 32.
Die 9 und 10 unterscheiden sich im Hinblick auf die Ausgestaltung des Sensorkopfs 44. Bei der Variante, die in 9 gezeigt ist, ist die Ein- und Auskoppellinse 54 deutlich kleiner als die Fokussierlinse 20, die das Laserlicht 14 auf den Laserlicht-Spot 22 fokussiert. Wie bereits oben im Zusammenhang mit 5 erläutert wurde, kann die Ein- und Auskoppellinse 54 als asphärische Linse realisiert werden, wodurch eine bessere Ein- und Auskopplung möglich wird. Grundsätzlich denkbar wäre es sogar, dass auf die Ein- und Auskoppellinse 54 ganz verzichtet wird. Ähnlich wie bei 6 sind bei der Ausgestaltung des Sensorkopfs 44 von 10 die Ein- und Auskoppellinse 54 und die Fokussierlinse 20 gleich groß ausgeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017207402 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (10) zur Detektion von Partikeln (24) in einem Fluid (36) führenden Bereich (40) unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz, wobei die Vorrichtung (10) umfasst: eine Laserquelle (12), eine Einrichtung (27) zum Erzeugen eines Laserlicht-Spots (22) in dem Fluid führenden Bereich (40), und einen Detektor (32) zum Erfassen einer Temperaturstrahlung (26), die von einem in dem Laserlicht-Spot (22) befindlichen Partikel (24) ausgeht, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine erste Lichtleitereinrichtung (48) und mindestens eine zweite Lichtleitereinrichtung (50) umfasst, wobei die erste Lichtleitereinrichtung (48) zwischen der Laserquelle (12) und dem Laserlicht-Spot (22) so angeordnet ist, dass sie wenigstens bereichsweise das Laserlicht (14) leitet, und wobei die zweite Lichtleitereinrichtung (50) zwischen dem Laserlicht-Spot (22) und dem Detektor (32) so angeordnet ist, dass sie wenigstens bereichsweise die Temperaturstrahlung (26) leitet.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtleitereinrichtung (48) und die zweite Lichtleitereinrichtung (50) wenigstens bereichsweise koaxial zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die das Laserlicht (14) leitende erste Lichtleitereinrichtung (48) radial innen und die die Temperaturstrahlung (26) leitende zweite Lichtleitereinrichtung (50) radial außen angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtleitende Gesamtquerschnitt der ersten Lichtleitereinrichtung (48) kleiner ist als der lichtleitende Gesamtquerschnitt der zweiten Lichtleitereinrichtung (50).
Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Lichtleitereinrichtungen (48, 50) ein Bündel einzelner Lichtleiter (70a-g) umfasst.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtleitende Querschnitt eines einzelnen Lichtleiters (70b-g) der zweiten Lichtleitereinrichtung (50) größer ist als der lichtleitende Querschnitt des Lichtleiters (70a) der ersten Lichtleitereinrichtung (48).
Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Lichtleiter (70 a-g) ein eigenes Cladding (74) aufweist.
Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Laserlicht-Spot (22) weg weisende Endbereiche (76, 78) der beiden Lichtleitereinrichtungen (48, 50) voneinander beabstandet sind, wobei der Endbereich (76) der ersten Lichtleitereinrichtung (48) der Laserquelle (12) und der Endbereich (78) der zweiten Lichtleitereinrichtung (50) dem Detektor (32) zugeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Laserlicht-Spot (22) wegweisende Endbereich (78) der zweiten Lichtleitereinrichtung (50) die Temperaturstrahlung (26) direkt und ohne Zwischenschaltung einer Linse zu dem Detektor (34) leitet.
Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtleitereinrichtung (48) und die zweite Lichtleitereinrichtung (50) als eine koaxiale und vorzugsweise gemeinsam hergestellte Double-Clad-Faser (55) ausgebildet sind.
Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem zum Laserlicht-Spot (22) hin weisenden Ende der beiden Lichtleitereinrichtungen (48, 50) und dem Laserlicht-Spot (22) mindestens eine erste Linse (54) angeordnet ist, welche das Laserlicht (14) aus der ersten Lichtleitereinrichtung (48) auskoppelt und die Temperaturstrahlung (26) in die zweite Lichtleitereinrichtung (50) einkoppelt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Linse (54) und dem Laserlicht-Spot (22) mindestens eine zweite Linse (20) angeordnet ist, welche einen größeren Durchmesser als die erste Linse (54) aufweist und vorzugsweise als asphärische Linse ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (16, 18, 28, 52) zwischen einerseits der Laserquelle (12) und dem Detektor (32) und andererseits den beiden Lichtleitereinrichtungen (48, 50) durch einen einzigen, einstückigen oder mehrstückigen Glaskörper (68) realisiert sind.