DE102021204213A1

DE102021204213A1 - Optischer Partikelsensor, insbesondere Abgassensor

Info

Publication number: DE102021204213A1
Application number: DE102021204213.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Buchholz; Fabian Purkl; Enno Baars; Arne Huber; Simon Schneider; Matteo Kammerer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2022-11-03
Also published as: WO2022228802A1

Abstract

Partikelsensor zum Nachweis von Partikeln (12) in einem Messgas, insbesondere im Abgas (32) einer Brennkraftmaschine, mittels laserinduzierter Inkandeszenz, wobei der Partikelsensor (16) Mittel zur Erzeugung (18) und/oder zur Zuführung von Laserlicht (10) aufweist und Mittel zur Fokussierung (20) des Laserlichts (10) in einem Fokus (22) aufweist und Mittel zur Detektion (26) von durch laserinduzierte Inkandeszenz im Fokus (22) erzeugter Temperaturstrahlung (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Detektion (26) eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffende Information zu detektieren vermögen.

Description

Aus dem Stand der Technik WO 2020/088843 A1 der Anmelderin ist bereits ein Partikelsensor zum Nachweis von Rußpartikeln in einem Abgaskanal eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine mit Mitteln zur Erzeugung von Laserlicht und mit Mitteln zur Fokussierung von Laserlicht und mit Mitteln zur Detektion von Temperaturstrahlung bekannt. Der Partikelsensor beruht auf dem Messprinzip der laserinduzierten Inkandeszenz, indem er eingerichtet ist, Laserlicht zu erzeugen und ein im Strahlengang des Lasers angeordnetes optisches Element aufweist, das dazu eingerichtet ist, dieses Laserlicht in einen Fokus zu bündeln, und der Detektor im Partikelsensor so angeordnet ist, dass er vom Fokus ausgehende Strahlung detektiert. Auf diese Weise kann zeitaufgelöst festgestellt werden, ob sich im Fokus ein Partikel befindet oder nicht.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung trägt dem Wunsch der Erfinder Rechnung, neben der bloßen Information über die Anwesenheit des Partikels im Fokus, weitere das Partikel betreffende Informationen zu gewinnen, insbesondere die Temperatur des Partikels, die Größe des Partikels und die chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse des Partikels, insbesondere eine Zuordnung des Partikels zu einer von zwei oder mehr chemischen Zusammensetzungen oder Stoffklassen, wie Kohlenstoff, beispielsweise Ruß, und/oder Eisen, Calcium, Magnesium, Zink, Phosphor oder Schwefel, ein hieraus gebildetes Oxid, Sulfat oder Phosphat, zum Beispiel ein Metalloxid, insbesondere Eisenoxid.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis der Erfinder, dass die weiteren das Partikel betreffenden Informationen durch eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffende Information erschlossen werden können.
Unter dem optischen Spektrum der Temperaturstrahlung ist insbesondere die spektrale Energie- oder Leistungsdichteverteilung der Temperaturstrahlung im infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Frequenz- bzw. Wellenlängenbereich zu verstehen. Unter der optischen Frequenz f ist die der Temperaturstrahlung in seiner Eigenschaft als elektromagnetische Welle (also als Licht) zugeordnete Frequenz f zu verstehen, insbesondere der Quotient aus der Lichtgeschwindigkeit c und der insofern dem Licht zugeordneten (optischen) Wellenlänge λ.
Beispielsweise kann unter der Prämisse, dass das Partikel sich gemäß dem physikalischen Modell eines schwarzen Strahlers verhält, aus der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffenden Information - beispielsweise aus dem optischen Spektrum selbst - auf die Temperatur des Partikels geschlossen werden. Die vollständige Kenntnis des optischen Spektrum ist allerdings im allgemeinen nicht zwingend erforderlich.
Unter der weiteren Prämisse, dass das Partikel im Fokus seine Sublimationstemperatur annimmt und eine gewisse Zeit beibehält, kann entweder direkt aus der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffenden Information oder aus der wie oben bestimmten Temperatur des Partikels auf die chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse des Partikels geschlossen werden, beispielsweise kann eine Zuordnung des Partikels zu einer von zwei oder mehr chemischen Zusammensetzungen oder Stoffklassen vorgenommen werden.
Wird mit Hinblick auf ein Partikel zusätzlich die gesamte Leistung und/oder Energie der abgestrahlten Temperaturstrahlung bestimmt, so kann entweder direkt durch Berücksichtigung der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffenden Information oder der wie oben bestimmten Temperatur des Partikels oder der chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse des Partikels auf die Größe des Partikels geschlossen werden.
Demgemäß betrifft die Erfindung einen Partikelsensor zum Nachweis von Partikeln mittels laserinduzierter Inkandeszenz, wobei der Partikelsensor Mittel zur Erzeugung und/oder zur Zuführung von Laserlicht aufweist und Mittel zur Fokussierung des Laserlichts in einem Fokus aufweist und Mittel zur Detektion von durch laserinduzierte Inkandeszenz im Fokus erzeugter Temperaturstrahlung aufweist, wobei die Mittel zur Detektion eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffende Information zu detektieren vermögen.
Es ist erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, dass mit diesem Partikelsensor Laserlicht erzeugt oder zugeführt wird, dass das Laserlicht in einem Fokus fokussiert wird, dass durch laserinduzierte Inkandeszenz im Fokus erzeugte Temperaturstrahlung detektiert wird und dass eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffende Information detektiert wird und dass aus der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffenden Information die Temperatur des Partikels bestimmt wird und/oder dass das Partikel einer chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse zugeordnet wird.
Unter Mitteln zur Erzeugung von Laserlicht wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Laser, beispielsweise ein Diodenlaser (Halbleiterlaser), verstanden, insbesondere ein cw-Laser, dessen Ausgangsleistung und Fokussierbarkeit so hoch ist, dass er Partikel, beispielsweise Rußpartikel, zur Emission von thermischer Strahlung anzuregen vermag, beispielsweise durch Erhitzen der Partikel, beispielsweise Rußpartikel, auf über 3500 K.
Unter Mitteln zur Zuführung von Laserlicht wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine optische Faser verstanden, die für das betreffende Laserlicht transparent ist, und/oder ein optisches Fenster verstanden, das für das Laserlicht transparent ist. Das Laserlicht kann grundsätzlich ultraviolett, sichtbar und/oder infrarot sein.
Im Zusammenhang mit dem Vorhandensein von Mitteln zur Zuführung von Laserlicht kann vorgesehen sein, dass der Partikelsensor mit Mitteln zur Erzeugung von Laserlicht zusammenwirken kann, die von dem Partikelsensor getrennt angeordnet sein können.
Unter Mitteln zur Fokussierung von Laserlicht wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Sammellinse verstanden, die für das betreffende Laserlicht transparent ist. Es kann sich auch um eine Anordnung mehrerer Linsen, die für das betreffende Laserlicht transparent sind, handeln, beispielsweise um ein Teleskop in dem mehrere derartige Linsen zusammenwirken. Alternativ könnte es sich auch um einen Hohlspiegel oder um eine Kombination von mindestens einer Linse und mindestens einem Hohlspiegel handeln.
Unter Temperaturstrahlung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden: elektromagnetische Strahlung, insbesondere mit einer spektralen Verteilung entsprechend der Emission heißer, insbesondere schwarzer, Körper, beispielsweise inkohärente Strahlung im infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Spektralbereich.
Unter Temperaturstrahlung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere Licht verstanden.
Die das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffende Information kann wie schon erwähnt das optische Spektrum selbst sein, wie man es beispielsweise mit einem optischen Spektrometer erhalten kann. Derartige Instrumente liefern zwar präzise und breitbandige Informationen, allerdings sind sie aufwändig und daher in einem Partikelsensor, insbesondere an einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, nur sehr eingeschränkt installierbar.
Eine vorteilhafte Lösung besteht darin, erste Mittel zur opto-elektrischen Wandlung vorzusehen, die die im Fokus erzeugte Temperaturstrahlung mit einer ersten von der optischen Wellenlänge abhängigen Empfindlichkeit in ein erstes elektrisches Signal wandeln, und zweite Mittel zur opto-elektrischen Wandlung vorsehen, die die im Fokus erzeugte Temperaturstrahlung mit einer zweiten von der optischen Wellenlänge abhängigen Empfindlichkeit in ein zweites elektrisches Signal wandeln, wobei die erste von der optischen Wellenlänge abhängige Empfindlichkeit von der zweiten von der optischen Wellenlänge abhängige Empfindlichkeit verschieden ist.
Es kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass es eine Grenzwellenlänge (auch: Trennwellenlänge) gibt, und dass die erste opto-elektronische Wandlung im Wesentlichen lediglich oberhalb dieser Grenzwellenlänge eine von Null verschiedene Empfindlichkeit aufweist, während die zweite opto-elektronische Wandlung im Wesentlichen lediglich unterhalb dieser Grenzwellenlänge eine von Null verschiedene Empfindlichkeit aufweist. Dominiert das erste Signal dabei das zweite Signal, ist es beispielsweise größer als dieses, kann auf ein heißeres Partikel geschlossen werden bzw. auf ein Partikel mit einer höheren Sublimationstemperatur und einer entsprechenden chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse. Dominiert das zweite Signal hingegen das erste Signal, ist es beispielsweise größer als dieses, kann auf ein weniger heißes Partikel geschlossen werden bzw. auf ein Partikel mit einer niedrigeren Sublimationstemperatur und einer entsprechenden chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse.
Es kann vorgesehen sein, dass die ersten Mittel zur opto-elektrischen Wandlung erste optische Komponenten (beispielsweise einen oder mehrere Strahlteiler in Transmission oder Reflektion, einen oder mehrere optische Filter etc.) umfassen und einen ersten Photodetektor umfassen, wobei die ersten optischen Komponenten Temperaturstrahlung mit einer ersten von der optischen Wellenlänge abhängigen Übertragungsfunktion von dem Fokus zu dem ersten Photodetektor übertragen und der erste Photodetektor Licht mit einer ersten von der optischen Wellenlänge abhängigen Detektionsfunktion in ein erstes elektrisches Signal wandelt; und dass die zweiten Mittel zur opto-elektrischen Wandlung zweite optische Komponenten umfassen (beispielsweise einen oder mehrere Strahlteiler in Transmission oder Reflektion, einen oder mehrere optische Filter etc.) und einen zweiten Photodetektor umfassen, wobei die zweiten optischen Komponenten Temperaturstrahlung mit einer zweiten von der optischen Wellenlänge abhängigen Übertragungsfunktion von dem Fokus zu dem zweiten Photodetektor übertragen und der zweite Photodetektor Licht mit einer zweiten von der optischen Wellenlänge abhängigen Detektionsfunktion in ein zweites elektrisches Signal wandelt.
Dabei kann es vorgesehen sein, dass der erste Photodetektor und der zweite Photodetektor zueinander baugleich sind bzw. die gleiche von der optischen Wellenlänge abhängige Detektionsfunktion aufweisen. Es kann sich zum Beispiel um Einzelphotonendetektoren auf Siliziumbasis handeln, zum Beispiel um Single-Photon-Avalanche-Dioden (SPADs).
Insbesondere unterscheiden sich die ersten optischen Komponenten von den zweiten optischen Komponenten hinsichtlich ihrer von der optischen Wellenlänge abhängigen Übertragungsfunktion, ähnlich wie oben mit Hinblick auf die Empfindlichkeiten der opto-elektrischen Wandlungen erläutert.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass es eine Grenzwellenlänge gibt, und dass die ersten optischen Komponenten im Wesentlichen lediglich Temperaturstrahlung oberhalb dieser Grenzwellenlänge zu dem ersten Photodetektor leiten und dass die zweiten optischen Komponenten im Wesentlichen lediglich Temperaturstrahlung unterhalb dieser Grenzwellenlänge zu dem zweiten Photodetektor leiten.
Praktikable konkrete optische Anordnungen können zu diesem Zweck vorsehen, dass die ersten optischen Komponenten und die zweiten optischen Komponenten in zumindest einer der nachfolgenden Beziehungen zueinander stehen:

- Der Partikelsensor weist einen wellenlängenselektiven Strahlteiler auf, wobei der Strahlteiler in Transmission Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der Strahlteiler in Reflexion Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist.
- Der Partikelsensor weist einen wellenlängenselektiven Strahlteiler auf, wobei der Strahlteiler in Reflexion Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der Strahlteiler in Transmission Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist.
- Der Partikelsensor weist einen Strahlteiler auf, wobei der Strahlteiler in Reflexion und ein erstes optisches Filter Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der Strahlteiler in Transmission und ein zweites optisches Filter Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist; wobei das erste optische Filter im Wesentlichen genau die spektralen Anteile der Temperaturstrahlung transmittiert, die das zweite optische Filter absorbiert.
- Der Partikelsensor weist einen Strahlteiler auf, wobei der Strahlteiler in Transmission und ein erstes optisches Filter Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der Strahlteiler in Reflexion und ein zweites optisches Filter Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist, wobei das erste optische Filter im Wesentlichen genau die spektralen Anteile der Temperaturstrahlung transmittiert, die das zweite optische Filter absorbiert.

Selbstverständlichen können neben den ersten Mitteln zur opto-elektrischen Wandlung und den zweiten Mitteln zur opto-elektrischen Wandlung weitere, beispielsweise dritte Mittel zur opto-elektrischen Wandlung vorgesehen sein.
Letztere können dann insbesondere dritte optische Komponenten umfassen und einen dritten Photodetektor umfassen, wobei die dritten optischen Komponenten Temperaturstrahlung mit einer dritten, von der optischen Wellenlänge abhängigen Übertragungsfunktion zu dem dritten Photodetektor übertragen und der dritte Photodetektor Licht mit einer dritten von der optischen Wellenlänge abhängigen dritten Detektionsfunktion in ein drittes elektrisches Signal wandelt, das dann überall dort zusätzlich berücksichtigt werden kann, wo es in dieser Anmeldung lediglich für das erste Signal und das zweite Signal ausdrücklich vermerkt ist.
Entsprechendes gilt selbstverständlich für weitere (vierte, fünfte, ...) Mittel zur opto-elektrischen Wandlung, optische Komponenten, Photodetektoren, Übertragungsfunktionen und Detektionsfunktionen.
In den meisten Fällen ausreichend und besonders effizient und daher bevorzugt ist es anderseits, wenn der Partikelsensor tatsächlich lediglich jeweils genau einen ersten und einen zweiten Photodetektor mit jeweils zugeordneten optischen Komponenten umfasst.
Es kann vorgesehen sein, dass die das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffende Information mittels einer Recheneinheit des Partikelsensors oder mittels einer mit dem Partikelsensor kommunizierenden Recheneinheit, aus dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal errechnet wird, beispielsweise durch Division des ersten elektrischen Signals durch das zweite elektrische Signal.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Veranschaulichung des auf der laserinduzierten Inkandeszenz basierenden Messprinzips, das bei der Erfindung verwendet wird,
2 einen prinzipiellen Aufbau zur Veranschaulichung der Funktionsweise des optischen Partikelsensors,
3 beispielhaft einen prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
4 eine erste Ausführungsform der Erfindung,
5 eine zweite Ausführungsform der Erfindung,
6 eine dritte Ausführungsform der Erfindung,
7 beispielhaft eine optische Charakteristik eines wellenlängenselektiven Strahlteilers,
8 die spektrale Leistungs- bzw. Energiedichteverteilung der von Partikeln emittierten Temperaturstrahlung,
9a, 9b die spektrale Leistungs- bzw. Energiedichteverteilung der zu den Photodetektoren gelangenden Temperaturstrahlung.

Ausführungsformen
1 veranschaulicht das auf der laserinduzierten Inkandeszenz basierende Messprinzip. Laserlicht 10 hoher Intensität trifft auf ein Partikel 12, beispielsweise ein Rußpartikel. Die Intensität des Laserlichts 10 ist so hoch, dass die vom Partikel 12 absorbierte Energie des Laserlichtes 10 das Partikel 12 auf mehrere Tausend Kelvin erhitzt. Als Folge der Erhitzung emittiert das Partikel 12 spontan und im Wesentlichen ohne Vorzugsrichtung signifikant Strahlung in Form von Temperaturstrahlung 14. Ein Teil der in Form von Temperaturstrahlung 14 emittierten Strahlung wird daher auch entgegen der Einfallsrichtung des Laserlichtes 10 zurück emittiert.
2 zeigt schematisch einen prinzipiellen Aufbau zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Partikelsensors 16. Der Partikelsensor 16 weist hier einen als CW-Lasermodul (CW: continuous wave; Dauerstrich) ausgebildeten Laser 18 auf, dessen bevorzugt kollimiertes Laserlicht 10 mit wenigstens einer im Strahlengang des Lasers 18 angeordneten Sammellinse 20 auf einen sehr kleinen Fokus 22 fokussiert wird, in dem die Intensität des Laserlichts 10 für laserinduzierte Inkandeszenz ausreichend hoch ist. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines CW-Lasers beschränkt. Es ist grundsätzlich auch denkbar, gepulst betriebene Laser zu verwenden.
Die Abmessungen des Fokus 22 liegen im Bereich einiger µm, sodass den Fokus 22 durchquerende Partikel 12 zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen durch laserinduzierte Inkandeszenz angeregt werden. Als Folge kann bei nicht zu hoher Partikelkonzentration im Messgas 32 davon ausgegangen werden, dass sich fast immer höchstens ein Partikel 12 in dem Fokus 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 Fokus 22 durchfliegenden Partikel 12 ausgehende Strahlung 14, insbesondere Temperaturstrahlung 14, detektiert. Der Detektor 26 weist dazu beispielsweise einen ersten Photodetektor 26.1 und einen zweiten Photodetektor 26.2 auf, wobei entweder die beiden Photodetektoren 26.1, 26.2 selbst eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen (Detektionsfunktionen δ1, δ2) oder das quantitative Maß der Übertragung der Temperaturstrahlung 14 von dem Fokus zu den beiden Photodetektoren (Übertragungsfunktionen v1, v2) eine unterschiedliche spektrale Charakteristik aufweist. Damit wird es über eine Einzelpartikelmessung hinaus möglich, eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung 14 betreffende Information zu gewinnen, auf deren Basis die Extraktion von Informationen über das Partikel 12 wie Temperatur und chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse möglich ist.
3 zeigt beispielhaft einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Partikelsensors 16 als Abgassensor. Der Partikelsensor 16 weist einen Laser 18 auf, der bevorzugt kollimiertes Laserlicht 10 erzeugt. Im Strahlengang des Laserlichtes 10 befindet sich ein wellenlängenselektiver (z.B. dichroitischer) Strahlteiler 34. Das den wellenlängenselektiven Strahlteiler 34 mit Umlenkung durchlaufende Laserlicht 10 wird durch die Sammellinse 20 zu einem sehr kleinen Fokus 22 fokussiert. In diesem Fokus 22 ist die Lichtintensität hoch genug, um die mit dem Abgas 32 transportierten Partikel 12 auf mehrere Tausend Kelvin zu erhitzen, so dass die erhitzten Partikel 12 signifikant Strahlung in Form von Temperaturstrahlung 14 emittieren. Diese Strahlung 14 liegt zum Beispiel im nah-infraroten und sichtbaren Spektralbereich, ohne dass die Erfindung auf Strahlung 14 aus diesem Spektralbereich beschränkt ist. Ein Teil dieser ungerichtet emittierten Temperaturstrahlung 14 wird von der Sammellinse 20 erfasst und nach Transmission durch den wellenlängenselektiven Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 gerichtet. Zwischen dem wellenlängenselektiven Strahlteiler 34 und dem Detektor 26 kann eine weitere Linse 21 angeordnet werden, die die Temperaturstrahlung 14 auf den Detektor 26 fokussiert, und kann ein optisches Filter 43 angeordnet werden, das zurückgestreutes und durch den wellenlängenselektiven Strahlteiler 34 transmittiertes Laserlicht 10 nochmals selektiv stark abschwächt, sodass es nicht zu dem Detektor 26 gelangen kann. Der Detektor 26 kann, wie mit Bezug auf 2 erläutert, einen ersten Photodetektor 26.1 und einen zweiten Photodetektor 26.2 und optional weitere Photodetektoren (nicht gezeichnet) aufweisen.
Der beschriebene Aufbau hat den Vorteil, dass nur ein optischer Zugang 40 zum Abgas 32 benötigt wird, da die gleiche Optik, insbesondere die gleiche Sammellinse 20, für die Erzeugung des Fokus 22 und für das Erfassen der vom Partikel 12 ausgehenden Temperaturstrahlung 14 benutzt wird.
Der Laser 18 weist eine Laserdiode 36 und eine zweite Linse 38 auf, die das von der Laserdiode 36 ausgehende Laserlicht 10 bevorzugt kollimiert. Der Einsatz der Laserdiode 36 stellt eine besonders kostengünstige und einfach handhabbare Möglichkeit der Erzeugung von Laserlicht 10 dar. Das bevorzugt kollimierte Laserlicht 10 wird durch die Sammellinse 20 fokussiert.
Der optische Partikelsensor 16 weist einen dem Abgas 32 ausgesetzten ersten Teil 16.1 (Abgasseite) und einen dem Abgas nicht ausgesetzten zweiten Teil 16.2 (Reingasseite) auf, der die optischen Komponenten des Partikelsensors 16 enthält. Beide Teile sind durch eine Trennwand 16.3, die beispielsweise Teil des Gehäuses 72 des Partikelsensors 16 ist, und durch den optischen Zugang 40 gasdicht voneinander getrennt.
Der in der 3 gezeigte optische Partikelsensor 16 ist beispielsweise in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine montierbar, beispielsweise mittels eines am Gehäuse 72 ausgebildeten Gewindes 17 und durch Rotation des Partikelsensors 16 um die Längsachse 100 des Gehäuses 72 bzw. des Partikelsensors 16.
An dem Gehäuse 72 sind zwei ineinander angeordnete Schutzhülsen 71 fixiert, die der Abgasleitung eine Teilströmung entnehmen und dem Fokus 22 zuführen.
Es werden nachfolgend mit Bezug auf die 4, 5 und 6 drei Ausführungsformen der Erfindung erläutert, bei denen Temperaturstrahlung 14 von dem Fokus 22 über einen ersten Strahlengang, in dem sich erste optische Komponenten befinden, zu einem ersten Photodetektor 26.1 gelangt, und bei denen Temperaturstrahlung 14 von dem Fokus 22 über einen zweiten Strahlengang, in dem sich zweite optische Komponenten befinden, zu einem zweiten Photodetektor 26.2 gelangt. Die ersten optischen Komponenten weisen beispielsweise insgesamt eine erste von der optischen Wellenlänge λ abhängige Übertragungsfunktion v1 auf, mit der sie die Temperaturstrahlung 14 von dem Fokus 22 zu dem ersten Photodetektor 26.1 übertragen, und die zweiten optischen Komponenten weisen beispielsweise insgesamt eine zweite von der optischen Wellenlänge λ abhängige Übertragungsfunktion v2 auf, mit der sie die Temperaturstrahlung 14 von dem Fokus 22 zu dem zweiten Photodetektor 26.2 übertragen.
Gemäß der in 4 gezeigten ersten Ausführungsform der Erfindung ist im Strahlengang der Temperaturstrahlung 14 ein weiterer wellenlängenselektiver Strahlteiler 37 angeordnet. Er hat beispielsweise die in der 7 gezeigte optische Charakteristik, d.h. er transmittiert im Wesentlichen nur Licht der Wellenlänge λ kleiner 650 nm (gestrichelte Linie) und er reflektiert im Wesentlichen nur Licht der Wellenlänge λ größer 650 nm (gepunktete Linie). Die Wellenlänge λ = 650 nm ist insofern eine Grenzwellenlänge λ_g der Anordnung.
Die Einschränkung „im Wesentlichen“ meint hierbei insbesondere, dass der wellenlängenselektive Strahlteilers 37 lediglich in einem kleinen Wellenlängenintervall um die Grenzwellenlänge λ_g herum (zum Beispiel +/-50nm) Reflexionen und Transmission aufweisen kann, die nicht 0% oder 100% betragen, sondern beispielsweise zwischen 3% und 97% liegen können.
Die durch den weiteren wellenlängenselektiven Strahlteiler 37 transmittierte Temperaturstrahlung 37 fällt auf den ersten Photodetektor 26.1 und die an dem weiteren wellenlängenselektiven Strahlteiler 37 reflektierte Temperaturstrahlung 37 fällt auf den zweiten Photodetektor 26.2.
Die spektrale Leistungs-/Energiedichteverteilung I als Funktion der Wellenlänge λ der Temperaturstrahlung 14 eines Partikels 12 ist in der 8 dargestellt und ist näherungsweise durch das Planck'sche Strahlungsgesetz gegeben. Die spektrale Leistungs-/Energiedichteverteilung I, die von einem Partikel 12 der Temperatur 4200 K emittiert wird, ist in der 8 durch die durchgezogene Linie wiedergegeben. Die spektrale Leistungs-/Energiedichteverteilung I, die von einem Partikel 12 der Temperatur 3300 K emittiert wird, ist in der 8 durch die gepunktete Linie wiedergegeben.
Das Maximum der spektralen Leistungs-/Energiedichteverteilung I liegt bei umso kleinerer Wellenlänge λ (umso größerer optischer Frequenz f) je heißer das Partikel 12 ist. Mit zunehmender Temperatur steigt auch die von einem Partikel 12 insgesamt emittierte Leistung/Energie der Temperaturstrahlung. Ein Rückschluss von der insgesamt emittierten Leistung/Energie der Temperaturstrahlung 14 auf die Partikeltemperatur ist allerdings ohne weiteres nicht möglich, da die von einem Partikel 12 insgesamt emittierte Leistung/Energie der Temperaturstrahlung 14 auch von der Partikelgröße abhängt.
In der 9a ist für den Fall einer Temperaturstrahlung 14, die in einem der 4 entsprechenden Aufbau von einem Partikel 12 der Temperatur 4200 K emittiert wird, neben der Leistungs-/Energiedichteverteilung I der gesamten Temperaturstrahlung 14 (durchgezogene Linie) die Leistungs-/Energiedichteverteilung I der Temperaturstrahlung 14, die den ersten Photodetektor 26.1 erreicht (gestrichene Linie) und die Leistungs-/Energiedichteverteilung I der Temperaturstrahlung 14, die den zweiten Photodetektor 26.2 erreicht (gepunktete Linie), dargestellt.
Der erste Photodetektor 26.1 liefert somit nun das erste elektrische Signal $S 1_{4200 K} = \int_{λ_{min}}^{λ_{max}} p 1_{4200 K} (λ) d λ$
mit p1_4200k(λ) = I_4200K(λ) F1(λ), wobei I_4200K(λ) das Leistungs-/Energiedichteverteilung der Temperaturstrahlung des 4200K heißen Partikels ist und F1(λ) die erste Empfindlichkeit, nämlich das Produkt der ersten Übertragungsfunktion v1(λ) mit der ersten Detektionsfunktion δ1(λ), ist.
Entsprechend liefert der zweite Photodetektor 26.2 das zweite elektrische Signal $S 2_{4200 K} = \int_{λ_{min}}^{λ_{max}} p 2_{4200 K} (λ) d λ$
mit p2_4200K(λ) = I_4200K(λ) F2(λ), wobei F2(λ) die zweite Empfindlichkeit, nämlich das Produkt der zweiten Übertragungsfunktion v2(λ) mit der zweiten Detektionsfunktion δ2(λ), ist.
λ_min und λ_max geben dabei die Grenzen an, in denen die Photodetektoren 26.1 und 26.2 eine von Null verschiedene Empfindlichkeit (Detektionsfunktionen δ1(λ) bzw. δ2(λ)) aufweisen. λ_min ist beispielsweise 350 nm und λ_max ist beispielsweise 1000 nm für den Fall von Einzelphotonendetektoren auf Siliziumbasis.
In der 9b ist für den Fall einer Temperaturstrahlung 14, die in einem der 4 entsprechenden Aufbau von einem Partikel 12 der Temperatur 3300 K emittiert wird, neben der Leistungs-/Energiedichteverteilung I der gesamten Temperaturstrahlung 14 (durchgezogene Linie) die Leistungs-/Energiedichteverteilung I der Temperaturstrahlung 14, die den erste Photodetektor 26.1 erreicht (gestrichene Linie) und die Leistungs-/Energiedichteverteilung I der Temperaturstrahlung 14, die den zweiten Photodetektor 26.2 erreicht (gepunktete Linie) dargestellt.
Analog zu oben ermittelt man S1_3300K und S2_3300K.
Durch eine mit den beiden Photodetektoren 26.1, 26.2 verbundene, nicht gezeichnete Recheneinheit, kann bei beiden Partikeltemperaturen jeweils der Quotient aus S1 und S2 bestimmt werden: Q_xK = S1_xK/S2_xK.
Beispielsweise erhält man für Q_4200K näherungsweise den Wert 0,45 und für Q3300K näherungsweise den Wert 0,33.
Wie ersichtlich, ist der Wert Q_xK eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung 14 betreffende Information. Er ist umso größer, je heißer der die Temperaturstrahlung 14 emittierende Partikel 12 ist. Es kann ferner (ggf. nach Kalibrierung des Partikelsensors 16) von dem Wert Q_xK auf die Temperatur des Partikels 12 zurückgeschlossen werden.
Wird unterstellt, dass die Partikel 12, die in dem Partikelsensor 16 detektiert werden, im Fokus 22 ihre Sublimationstemperatur annehmen und eine gewisse Zeit beibehalten, so kann von der ermittelten Temperatur anhand von den in der Recheneinheit hinterlegten Daten auf die chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse des Partikels 12 zurückgeschlossen werden. So ist es bekannt und kann hinterlegt sein, dass die Sublimationstemperatur von Kohlenstoff, beispielsweise Ruß, 4200 K beträgt und die Sublimationstemperatur von Eisenoxid 3300 K beträgt. Insofern kann beispielsweise die Temperaturstrahlung, deren Energie-/Leistungsdichtespektrum in der 8 als durchgezogene Linie wiedergegeben ist, von einem Rußpartikel ausgehen, und die Temperaturstrahlung, deren Leistungsdichtespektrum in der 8 als gepunktete Linie wiedergegeben ist, kann von einem Eisenoxidpartikel ausgehen.
Natürlich kann in der Recheneinheit eine Vielzahl von Sublimationstemperaturen jeweils einer chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse zugeordnet sein, bzw. verschiedenen Werten von Q_xK jeweils eine chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse zugeordnet sein. Wird eine entsprechende Temperatur eines Partikels 12 festgestellt bzw. ein entsprechender Quotient Q_xK festgestellt, so kann geschlossen werden, dass das detektierte Partikel 12 aus der zugeordneten chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse besteht.
Gemäß der in 5 gezeigten zweiten Ausführungsform der Erfindung ist ein (beispielsweise nicht wellenlängenselektiver) Strahlteiler 35 vorgesehen, der die Temperaturstrahlung 14 weitgehend unabhängig von ihrer optischen Frequenz f bzw. Wellenlänge λ in zwei Teilstrahlen aufteilt, indem er einen reflektiert und einen transmittiert. Die durch den Strahlteiler 35 transmittierte Temperaturstrahlung 14 passiert einen ersten optischen Filter 41, dessen Transmission der gestrichelten Kurve in 7 entspricht, und fällt dann auf den ersten Photodetektor 26.1. Die an dem Strahlteiler 35 reflektierte Temperaturstrahlung 14 passiert einen zweiten optischen Filter 42, dessen Transmission der gepunkteten Kurve in 7 entspricht, und fällt dann auf den zweiten Photodetektor 26.2.
Die Weiterverarbeitung der mit den beiden Photodetektoren 26.1, 26.2 gewonnenen Signale S1, S2 erfolgt beispielsweise sinngemäß wie oben mit Hinblick auf die erste Ausführungsform und mit Bezug auf 4 erläutert.
Die in der 6 gezeigte dritte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der in 5 gezeigten zweiten Ausführungsform der Erfindung darin, dass das Laserlicht 10 nach Einkopplung in den Strahlengang durch Reflektion an dem wellenlängenselektiven Strahlteiler 34 an dem weiteren wellenlängenselektiven Strahlteiler 37 reflektiert wird, bevor es mit der Linse 20 in dem Fokus 22 gebündelt wird. Die ohne Wechselwirkung mit dem wellenlängenselektiven Strahlteiler 35 durch den weiteren wellenlängenselektiven Strahlteiler 37 transmittierte Temperaturstrahlung 14 fällt nach Fokussierung an der ersten weiteren Linse 21.1 auf den ersten Photodetektor 26.1; die durch den wellenlängenselektiven Strahlteiler 34 transmittierte Temperaturstrahlung 14 fällt hingegen nach Fokussierung an der zweiten weiteren Linse 21.2 auf den zweiten Photodetektor 26.2.
Die Weiterverarbeitung der mit den beiden Photodetektoren 26.1, 26.2 gewonnenen Signale S1, S2 erfolgt beispielsweise ebenfalls sinngemäß wie oben mit Hinblick auf die erste und zweite Ausführungsform und mit Bezug auf die 4 und 5 erläutert.
In allen Ausführbeispielen hängt die Wahl der Grenzwellenlänge λ_G (im Beispiel war λ_G = 650 nm) von der konkreten Zielsetzung und den Randbedingungen der Partikeldetektion ab.
Wird eine möglichst sichere Unterscheidung der verschiedenen chemischen Zusammensetzungen oder Stoffklassen der Partikel 12 gewünscht, wird die Grenzwellenlänge λ_G so gewählt, dass sich die ergebenden Quotienten Q_xK für die zu erwarteten chemischen Zusammensetzungen oder Stoffklassen maximal unterscheiden.
Wird hingegen eine möglichst hohe Sensitivität des Partikelsensors 16 auch für kleine und somit lichtschwache Partikel 12 benötigt, wird die Grenzwellenlänge λ_G mit Blick auf diejenige chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse optimiert, die die geringere Sublimationstemperatur aufweist. Dahinter verbirgt sich die Überlegung, dass Partikel 12 mit höheren Sublimationstemperatur grundsätzlich mehr Temperaturstrahlung 14 emittieren, folglich größere elektrische Signale erzeugen und somit leichter zu detektieren sind. Partikel 12 mit geringerer Sublimationstemperatur emittieren hingegen grundsätzlich weniger Temperaturstrahlung 14 und sind daher tendenziell schwerer zu detektieren, besonders wenn sie klein sind.
Eine vorteilhafte Strategie ist es daher in diesem Fall, die Grenzwellenlänge λ_G so zu wählen, dass sich die gesamte Leitung bzw. Energie der Temperaturstrahlung 14 möglichst gleichteilig auf die beiden Photodetektoren 26.1, 26.2 verteilt, bzw. auf alle Photodetektoren 26.1, 26.2 im Fall von mehr als zwei Photodetektoren 26.1, 26.2.
Über die Kopplung (z.B. Summenbildung) der Signale S1, S2 beider/aller Photodetektoren 26.1, 26.2 kann ein Gesamtsignal mit optimiertem Signal/Rauschverhältnis generiert werden, da das Rauschen der Signale S1, S2 beider/aller Photodetektoren 26.1, 26.2 als zueinander unkorreliert - oder, infolge der Strahlteilung und der Quantennatur des Lichts, sogar teilweise antikorreliert - angenommen werden kann.
Dieses Gesamtsignal kann beispielsweise dazu benutzt werden, zu detektieren, dass sich (unabhängig von der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung 14 betreffenden Information) überhaupt ein Partikel 12 im Fokus 22 befindet und Temperaturstrahlung 14 emittiert. Eine weitere Auswertung der von diesem Partikel 12 emittierten Temperaturstrahlung 14 hinsichtlich einer das optische Spektrum betreffenden Information kann dann logisch und/oder zeitlich nachgeordnet vorgenommen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2020/088843 A1 [0001]

Claims

Partikelsensor zum Nachweis von Partikeln (12) in einem Messgas, insbesondere im Abgas (32) einer Brennkraftmaschine, mittels laserinduzierter Inkandeszenz, wobei der Partikelsensor (16) Mittel zur Erzeugung (18) und/oder zur Zuführung von Laserlicht (10) aufweist und Mittel zur Fokussierung (20) des Laserlichts (10) in einem Fokus (22) aufweist und Mittel zur Detektion (26) von durch laserinduzierte Inkandeszenz im Fokus (22) erzeugter Temperaturstrahlung (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Detektion (26) eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffende Information zu detektieren vermögen.
Partikelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Detektion (26) erste Mittel zur opto-elektrischen Wandlung vorsehen, die die Temperaturstrahlung (14) mit einer ersten von der optischen Wellenlänge (λ) abhängigen Empfindlichkeit (F1) in ein erstes elektrisches Signal (S1) wandeln; und dass die Mittel zur Detektion (26) zweite Mittel zur opto-elektrischen Wandlung vorsehen, die die Temperaturstrahlung (14) mit einer zweiten von der optischen Wellenlänge (λ) abhängigen Empfindlichkeit (F2) in ein zweites elektrisches Signal (S2) wandeln.
Partikelsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Grenzwellenlänge (λ_g) gibt, oberhalb von der die Empfindlichkeit (F1) der ersten Mittel zur opto-elektrischen Wandlung größer ist als die Empfindlichkeit (F2) der zweiten Mittel zur opto-elektrischen Wandlung und unterhalb von der die Empfindlichkeit (F1) der ersten Mittel zur opto-elektrischen Wandlung (F2) kleiner ist als die Empfindlichkeit der zweiten Mittel zur opto-elektrischen Wandlung.
Partikelsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel zur opto-elektrischen Wandlung erste optische Komponenten umfassen und einen ersten Photodetektor (26.1) umfassen, wobei die ersten optischen Komponenten Temperaturstrahlung (14) mit einer ersten von der optischen Wellenlänge (λ) abhängigen Übertragungsfunktion (v1) von dem Fokus (22) zu dem ersten Photodetektor (26.1) übertragen und der erste Photodetektor (26.1) Temperaturstrahlung (14) mit einer ersten von der optischen Wellenlänge (λ) abhängigen Detektionsfunktion (δ1) in ein erstes elektrisches Signal (S1) wandelt; und dass die zweiten Mittel zur opto-elektrischen Wandlung zweite optische Komponenten umfassen und einen zweiten Photodetektor (26.2) umfassen, wobei die zweiten optischen Komponenten Temperaturstrahlung (14) mit einer zweiten von der optischen Wellenlänge (λ) abhängigen Übertragungsfunktion (v2) von dem Fokus (22) zu dem zweiten Photodetektor (26.2) übertragen und der zweite Photodetektor (26.2) Temperaturstrahlung (14) mit einer zweiten von der optischen Wellenlänge (λ) abhängigen Detektionsfunktion (δ2) in ein zweites elektrisches Signal (S2) wandelt.
Partikelsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten optischen Komponenten und die zweiten optischen Komponenten in zumindest einer der nachfolgenden Beziehungen zueinander stehen: - Der Partikelsensor (16) weist einen wellenlängenselektiven Strahlteiler (34) auf, wobei der wellenlängenselektive Strahlteiler (34) in Transmission Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der wellenlängenselektive Strahlteiler (34) in Reflexion Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist. - Der Partikelsensor (16) weist einen wellenlängenselektiven Strahlteiler (34) auf, wobei der wellenlängenselektive Strahlteiler (34) in Reflexion Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der wellenlängenselektive Strahlteiler (34) in Transmission Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist. - Der Partikelsensor (16) weist einen Strahlteiler (35) auf, wobei der Strahlteiler (35) in Reflexion und ein erstes optisches Filter (41) Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der Strahlteiler (35) in Transmission und ein zweites optisches Filter (42) Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist; wobei das erste optische Filter (41) im Wesentlichen genau die spektralen Anteile der Temperaturstrahlung (14) transmittiert, die das zweite optische Filter (42) absorbiert. - Der Partikelsensor (16) weist einen Strahlteiler (35) auf, wobei der Strahlteiler (35) in Transmission und ein erstes optisches Filter (41) Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der Strahlteiler (35) in Reflexion und ein zweites optisches Filter (42) Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist, wobei das erste optische Filter (41) im Wesentlichen genau die spektralen Anteile der Temperaturstrahlung (14) transmittiert, die das zweite optische Filter (42) absorbiert.
Partikelsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Photodetektor (26.1) und der zweite Photodetektor (26.2) zueinander baugleich sind.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Recheneinheit aufweist, die aus dem ersten elektrischen Signal (S1) und dem zweiten elektrischen Signal (S2) die das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffende Information zu bestimmen vermag.
Partikelsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit aus der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffenden Information die Temperatur eines Partikels (12) zu bestimmen vermag.
Partikelsensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit auf Basis der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffenden Information und/oder auf Basis der Temperatur des Partikels (12) das Partikel (12) einer chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse zuzuordnen vermag.
Partikelsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse Kohlenstoff, beispielsweise Ruß, und/oder Eisen, Calcium, Magnesium, Zink, Phosphor oder Schwefel, ein hieraus gebildetes Oxid, Sulfat oder Phosphat, zum Beispiel ein Metalloxid, insbesondere Eisenoxid, ist.
Verfahren zur Detektion von Partikeln (12) und zur Bestimmung der Temperatur der Partikel (12) und/oder zur Zuordnung der Partikel (12) zu einer chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse mit einem Partikelsensor (16) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Laserlicht (10) erzeugt oder zugeführt wird, wobei das Laserlicht (10) in einem Fokus (22) fokussiert wird, wobei durch laserinduzierte Inkandeszenz im Fokus (22) erzeugte Temperaturstrahlung (14) detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffende Information detektiert wird, und dass aus der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffenden Information die Temperatur des Partikels (12) bestimmt wird und/oder das Partikel (12) einer chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 mit einem Partikelsensor (16) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit den ersten Mitteln zur opto-elektrischen Wandlung die Temperaturstrahlung (14) in ein erstes elektrisches Signal (S1) gewandelt wird, dass mit den zweiten Mitteln zur opto-elektrischen Wandlung die Temperaturstrahlung (14) in ein zweites elektrisches Signal (S2) gewandelt wird und dass aus dem ersten elektrischen Signal (S1) und dem zweiten elektrischen Signal (S2) die das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffende Information bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient (Q) aus dem ersten Signal (S1) und dem zweiten Signal (S2) gebildet wird und dass das Partikel (S2) in Abhängigkeit von dem Quotient (Q) einer von zwei der mehr chemischen Zusammensetzungen oder Stoffklassen zugeordnet wird; beispielsweise dass das Partikel (12) einer ersten chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse zugeordnet wird, wenn der Quotient (Q) kleiner ist als ein Grenzwert und/oder dass das Partikel (12) einer zweiten chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse zugeordnet wird, wenn der Quotient (Q) größer ist als der/ein Grenzwert.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse Kohlenstoff, beispielsweise Ruß, ist und die zweite chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse Eisen, Calcium, Magnesium, Zink, Phosphor, Schwefel, ein hieraus gebildetes Oxid, Sulfat oder Phosphat, zum Beispiel ein Metalloxid, insbesondere Eisenoxid, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14 mit einem Partikelsensor (16) nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der auf den ersten Photodetektor (26.1) fallenden Temperaturstrahlung (14) und die Leistung der auf den zweiten Photodetektor (26.2) fallenden Temperaturstrahlung (14) im Mittel gleich sind oder in einem Verhältnis zwischen 0,5 und 2 zueinander stehen.