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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelsensor zum Nachweis von Partikeln in einer Strömung eines Messgases, insbesondere einen Sensor zum Nachweis von Rußpartikeln in einem Abgaskanal eines Brenners oder einer selbstzündenden oder fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wie er beispielsweise zum Zwecke der On-Board-Diagnose eines entsprechenden Rußpartikelfilters zum Einsatz kommen kann. Auch andere Einsatzgebiete sind selbstverständlich möglich, beispielsweise portable Systeme zum Monitoring von Emissionen und Systeme zur Messung von Raumluftqualität.
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Die
DE 10 2018 218 734 A1 der Anmelderin offenbart bereits einen Partikelsensor mit Mitteln zur Erzeugung von Laserlicht und mit Mitteln zur Fokussierung von Laserlicht auf einen Laserfokus und mit Mitteln zur Detektion von Temperaturstrahlung, wobei der Partikelsensor zumindest einen optischen Zugang aufweist, der einen dem Messgas ausgesetzten Bereich von einem dem Messgas abgewandten Bereich, der nicht dem Messgas ausgesetzt ist, trennt, wobei die Mittel zur Erzeugung von Laserlicht und die Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung in dem dem Messgas abgewandten Bereich angeordnet sind, wobei der Partikelsensor ein Gehäuse aufweist, in dem der optische Zugang angeordnet ist, und dass das Gehäuse zumindest eine Eintrittsöffnung aufweist, durch die der Strömung des Messgases eine Teilströmung entnehmbar und in das Innere des Gehäuses einführbar ist, und zumindest eine Austrittsöffnung zum Austritt der Teilströmung aus dem Gehäuse aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung hat die Weiterentwicklung des Standes der Technik hin zu einem robusten und langlebigen Sensor zum Ziel, der für den Dauereinsatz unter rauen Umgebungsbedingungen, wie sie beispielsweise in und an einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine vorzufinden sind, geeignet ist.
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Hierfür ist vorgesehen, dass das Gehäuse ein erstes Teilgehäuse umfasst, in dem die Mittel zur Erzeugung von Laserlicht und die Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung angeordnet sind, und dass das Gehäuse ein zweites Teilgehäuse umfasst, das an dem ersten Teilgehäuse montiert ist und das rohrförmig ausgebildet ist und in dem die Mittel zur Fokussierung von Laserlicht auf den Laserfokus angeordnet sind.
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Durch die Vorsehung von zwei Teilgehäusen wird eine thermische Entkopplung der im Allgemeinen relativ temperaturempfindlichen Komponenten zur Erzeugung und zur Detektion von Strahlung möglich.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Gehäuse ein drittes Teilgehäuse umfasst, das insbesondere an dem ersten Teilgehäuse montiert ist, insbesondere rohrförmig ausgebildet ist und das insbesondere konzentrisch zu dem zweiten Teilgehäuse ist. Das dritte Teilgehäuse vermag das zweite Gehäuse und somit mittelbar auch das erste Gehäuse thermisch abzuschirmen. Wenn das dritte Teilgehäuse auf seiner Außenseite Kühlrippen aufweist, ist dies umso mehr der Fall.
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Alternativ oder zusätzlich zu den Kühlrippen kann auf seiner Außenseite des dritten Teilgehäuses auch eine Fluidkühlung (z.B. in Form eines Doppelmantels oder einer Rohrwendel) vorgesehen sein.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass in oder an dem dritten Teilgehäuse der optische Zugang montiert ist, insbesondere auf der vom ersten Teilgehäuse abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses. Der Wärmefluss von dem eher heißen optischen Zugang zum ersten Teilgehäuse wird in diesem Fall durch das dritte Teilgehäuse behindert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass an dem dritten Teilgehäuse, insbesondere auf der vom ersten Teilgehäuse abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses, ein insbesondere kragenförmiges Hitzeschutzschild montiert ist. Es unterbricht den Wärmefluss zu bzw. durch das dritte Teilgehäuse bzw. es stellt ein „Umwegelement“ für die Wärmeleitung dar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass an dem dritten Teilgehäuse, insbesondere auf der vom ersten Teilgehäuse abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses, ein Schutzrohrmodul fixiert ist. Es kann beispielsweise wie in dem eingangs genannten Stand der Technik ausgebildet sein.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Teilgehäuse auf seiner Außenseite Kühlrippen aufweist. Die optischen Komponenten in seinem Inneren werden dadurch gekühlt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen:
- 1 eine Veranschaulichung des auf der laserinduzierten Inkandeszenz basierenden Messprinzips, das bei der Erfindung vorzugsweise verwendet wird;
- 2 einen prinzipiellen Aufbau zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Sensors;
- 3 beispielhaft einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Partikelsensors;
- 4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 veranschaulicht das auf der laserinduzierten Inkandeszenz basierende Messprinzip. Laserlicht 10 hoher Intensität trifft auf ein Partikel 12, beispielsweise ein Rußpartikel. Die Intensität des Laserlichts 10 ist so hoch, dass die vom Partikel 12 absorbierte Energie des Laserlichtes 10 das Partikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt. Als Folge der Erhitzung emittiert das Partikel 12 ohne Vorzugsrichtung Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung. Ein Teil der in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 wird daher auch entgegengesetzt zur Richtung des einfallenden Laserlichtes 10 emittiert.
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2 zeigt schematisch einen prinzipiellen Aufbau zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Partikelsensors 16. Der Partikelsensor 16 weist hier einen als CW-Lasermodul (CW: continuous wave; Dauerstrich) ausgebildeten Laser 18 auf, dessen bevorzugt kollimiertes Laserlicht 10 mit wenigstens einer im Strahlengang des Lasers 18 angeordneten Sammellinse 20 auf einen sehr kleinen Fokus 22 fokussiert wird, in dem die Intensität des Laserlichts 10 die für laserinduzierte Inkandeszenz ausreichend hoch ist. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines CW-Lasers beschränkt. Es ist auch denkbar, gepulst betriebene Laser zu verwenden.
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Die Abmessungen des Spots 22 liegen im Bereich einiger µm, insbesondere im Bereich von höchstens 200 µm, sodass den Spot 22 durchquerende Partikel 12 zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen angeregt werden, sei es durch laserinduzierte Inkandeszenz oder durch chemische Reaktionen (insbesondere Oxidation). Als Folge kann meistens davon ausgegangen werden, dass sich stets höchstens ein Partikel 12 in dem Spot 22 befindet und dass ein momentanes Messsignal des Partikelsensors 16 nur von diesem höchstens einen Partikel 12 stammt. Das Messsignal wird von einem Detektor 26 erzeugt, der im Partikelsensor 16 so angeordnet ist, dass er vom den Spot 22 durchfliegenden Partikel 12 ausgehende Strahlung 14, insbesondere Temperaturstrahlung, detektiert. Der Detektor 26 weist dazu bevorzugt wenigstens eine Fotodiode 26.1 auf. Damit wird eine Einzelpartikelmessung möglich, welche grundsätzlich sogar die Extraktion von Informationen über das Partikel 12 wie Größe und Geschwindigkeit ermöglicht.
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3 zeigt beispielhaft einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Partikelsensors 16.
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Der Partikelsensor 16 weist ein Schutzrohrmodul 200 aus einem ersten, äußeren Schutzrohr 210 und einem zweiten, inneren Schutzrohr 220 auf. Die Anordnung der Schutzrohre ist hier nur grob und schematisch gezeigt, insofern wird auf die 4 verwiesen.
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Der Partikelsensor 16 weist einen Laser 18 auf, der bevorzugt kollimiertes Laserlicht 10 erzeugt. Im Strahlengang des Laserlichtes 10 befindet sich ein Strahlteiler 34. Ein den Strahlteiler 34 ohne Umlenkung durchlaufender Teil des Laserlichtes 10 wird durch die Sammellinse 20 zu einem sehr kleinen Fokus 22 fokussiert. In diesem Fokus 22 ist die Lichtintensität hoch genug, um die mit dem Abgas 32 transportierten Partikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius zu erhitzen, so dass die erhitzten Partikel 12 signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung emittieren. Diese Strahlung 14 liegt zum Beispiel im nahinfraroten und sichtbaren Spektralbereich, ohne dass die Erfindung auf Strahlung 14 aus diesem Spektralbereich beschränkt ist. Ein Teil dieser ungerichtet in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14, wird von der Sammellinse 20 erfasst und über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 gerichtet. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass nur ein optischer Zugang 40 zum Abgas 32 benötigt wird, da die gleiche Optik, insbesondere die gleiche Sammellinse 20, für die Erzeugung des Fokus 22 und für das Erfassen der vom Partikel 12 ausgehenden Strahlung 14 benutzt wird. Das Abgas 32 ist ein Beispiel eines Messgases. Das Messgas kann auch ein anderes Gas oder Gasgemisch sein, zum Beispiel Raumluft.
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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.
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Der optische Partikelsensor 16 weist einen dem Abgas ausgesetzten ersten Teil 16.1 (Abgasseite) und einen dem Abgas nicht ausgesetzten zweiten Teil 16.2 (Reingasseite) auf, der die optischen Komponenten des Partikelsensors 16 enthält. Beide Teile sind durch eine Trennwand 16.3 getrennt, die zwischen den Schutzrohren 210, 220 und den optischen Elementen des Partikelsensors 16 verläuft. Die Wand 16.3 dient der Isolation der empfindlichen optischen Elemente von dem Abgas 32. In der Trennwand 16.3 ist im Strahlengang des Laserlichtes 10 ein als Fenster ausgebildeter optischer Zugang 40 angebracht, durch den hindurch das Laserlicht 10 in das Abgas 32 einfällt und über den vom Fokus 22 ausgehende Strahlung 14 auf die Sammellinse 20 und von da aus über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 einfallen kann.
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Alternativ zu dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Erzeugung des Fokus 22 und das Erfassen der von Partikeln im Fokus 22 ausgehenden Strahlung 14 auch über getrennte optische Strahlengänge erfolgen.
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Es ist auch denkbar, den Fokus 22 mit anderen als den hier lediglich als Ausführungsbeispiel angegebenen Linsenkombinationen zu erzeugen. Außerdem kann der Partikelsensor 16 auch mit anderen Laserlichtquellen als den hier für Ausführungsbeispiele angegebenen Laserdioden 36 verwirklicht werden.
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Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Partikelsensors 16 zum Nachweis von Partikeln 12. Erweist ein erstes Teilgehäuse 101 auf, das auf seinen Seitenflächen mit Kühlrippen 101.1 versehen ist, und in dem ein Laser 18, ein Photodetektor 26 und weitere elektronische Komponenten 500, beispielsweise zur Signalerfassung und Signalauswertung, angeordnet sind.
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Der Partikelsensor 16 weist ferner ein zweites Teilgehäuse 102 auf, das an dem ersten Teilgehäuse 101 montiert ist und rohrförmig ausgebildet ist. In den beiden axialen Endbereichen des zweiten Teilgehäuses 102 sind zwei plan-konvexe Linsen 20 angeordnet und bilden auf diese Weise ein Teleskop.
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Es kann alternativ vorgesehen sein, dass der Partikelsensor zwei Sammellinsen und eine Konkavlinse umfasst, wobei die beiden Sammellinsen in den beiden axialen Endbereichen des zweiten Teilgehäuses (102) angeordnet sind und wobei eine dieser Sammellinsen zu der Konkavlinse benachbart ist, und auf diese Weise mit ihr zusammen ein Teleskop bildet.
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Der Partikelsensor 16 weist ferner ein drittes Teilgehäuse 103 auf, das an dem ersten Teilgehäuse 101 montiert ist und das rohrförmig ausgebildet ist und das konzentrisch zu dem zweiten Teilgehäuse 102 ist. Zwischen dem zweiten und dem dritten Teilgehäuse 103 ist ein Ringraum ausgebildet, der beispielsweise mit Luft gefüllt oder evakuiert sein kann. Das dritte Teilgehäuse 103 weist auf seiner Außenseite Kühlrippen 103.1 auf.
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Auf der vom ersten Teilgehäuse 101 abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses 103 ist der optische Zugang 40 in Form eines in einem Fensterhalter 41 montierten Fensters 42 montiert.
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Auf der vom ersten Teilgehäuse 101 abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses 103 ist ferner ein kragenförmiges Hitzeschutzschild 44 montiert. Es besteht beispielsweise aus zwei metallischen Blechen und einem dazwischen ausgebildeten Spalt, der beispielsweise mit Luft gefüllt oder evakuiert sein kann.
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Auf der vom ersten Teilgehäuse 101 abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses 103 ist ferner ein Montageflansch 46 zur Montage des Partikelsensors 16 an einer Messgasleitung vorgesehen. Er liegt beispielweise auf einem Einschweißnippel 50 einer Abgasleitung plan auf und ist mittels einer an sich bekannten V-Band-Schelle 52 fixiert.
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Überdies ist auf der vom ersten Teilgehäuse abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses auch ein Schutzrohrmodul 200 fixiert.
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Das Schutzrohrmodul 200 besteht in diesem Beispiel aus einem ersten Schutzrohr 210, einem zweiten Schutzrohr 220 und einem dritten Schutzrohr 230.
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Das erste Schutzrohr 210 ist topförmig ausgebildet, mit einer eine Mantelfläche bildenden Topfwand auf sowie einen Topfboden. In der Topfwand ist in der Nähe des Topfbodens ein umlaufender Lochkranz aus beispielsweise 12 Eintrittsöffnungen 301 des Partikelsensors 16 ausgebildet.
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Das zweite Schutzrohr 220 hat eine im wesentlichen hutförmige Gestalt und ist im Wesentlichen im Inneren des ersten Schutzrohrs 210 angeordnet. Das zweite Schutzrohr 220 ist mit radialem Abstand zu der Innenseite der Topfwand des ersten Schutzrohrs 210 angeordnet. In einem Überströmöffnungsabschnitt ist ein Lochkranz aus im Beispiel 12 Überströmöffnungen 303 vorgesehen, die einen zwischen dem ersten Schutzrohr 210 und dem zweiten Schutzrohr 220 ausgebildeten Ringraum 240 mit einem im Inneren des zweiten Schutzrohrs 220 ausgebildet Gasraum 250 verbinden. An den Überströmöffnungsabschnitt des zweiten Schutzrohres 220 schließt sich ein sich konisch verjüngender Bereich an und an diesen schließt sich ein becherförmiger Endbereich des zweiten Schutzrohrs 220 an, der mit seiner Mantelfläche in eine Öffnung in dem Topfboden des ersten Schutzrohrs 210 eingepresst ist. In der Stirnseite des Endbereichs des zweiten Schutzrohrs 220 ist die Austrittsöffnung 302 des Partikelsensors 16 vorgesehen, die im vorliegenden Beispiel nur wenig kleiner ist als die Stirnseite selbst.
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Wiederum im Inneren des zweiten Schutzrohrs 220 ist das dritte Schutzrohr 230 angeordnet. Es weist einen ersten, geraden zylindrischen Abschnitt auf. An den geraden zylindrischen Abschnitt des dritten Schutzrohrs 230 schließt sich ein sich konisch verjüngender Abschnitt an, der auf der dem Abgas zugewandten Seite des dritten Schutzrohrs 230 offen ist.
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Entlang einer axialen Richtung 400, die beispielsweise durch die von dem optischen Zugang 40 zu der Austrittsöffnung 302 weisenden Richtung definiert ist, liegt der sich konisch verjüngende Abschnitt dritten Schutzrohrs 230 auf gleicher axialer Höhe wie die Überströmöffnungen 303 im zweiten Schutzrohr 220.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018218734 A1 [0002]
