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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 wobei 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 hochgenauen, robusten und langlebigen Sensor zum Ziel, der überdies sicher betreibbar ist und für den Dauereinsatz unter rauen Umgebungsbedingungen, wie sie beispielsweise in und an einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine vorzufinden sind, geeignet ist.
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Dazu werden insbesondere drei Aspekte der Erfindung herausgestellt, die unabhängig voneinander die angestrebten Verbesserungen der bekannten Vorrichtung bewirken oder miteinander kombiniert werden können und dann synergetisch zusammenwirkend die oben genannten Ziele in noch höherem Maße realisieren.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft die Ausgestaltung des Partikelsensors derart, dass er seine Umgebung optisch gegenüber dem Laserfokus vollumfänglich abschirmt.
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Unter optischer Abschirmung der Umgebung gegenüber dem Laserfokus ist dabei insbesondere zu verstehen, dass für jeden Punkt der Umgebung die gedachte geradlinige Verbindung des Punktes mit dem Laserfokus den Partikelsensor zumindest einmal an einem Ort schneidet, an dem der Partikelsensor optisch nicht transparent ist, zum Beispiel aus einem Metall besteht.
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Unter der Umgebung wird insbesondere die Gesamtheit des Raums verstanden, der nicht von dem Partikelsensor ausgefüllt oder umschlossen wird, wobei unter dem Partikelsensor beispielsweise die gesamte Einheit verstanden wird, die mit der Vorrichtung, die die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist, unlösbar verbunden ist. Andere Vorrichtungen, die mit der Vorrichtung, die die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist, nicht oder lediglich lösbar verbunden sind, gehören insofern nicht zu dem Partikelsensor - sie gehören bereits zu der Umgebung bzw. befinden sich in der Umgebung. Das trifft beispielsweise auf einen Abgaskanal zu, an dem ein derartiger Partikelsensor verschraubt oder in sonstiger Weise lösbar fixiert sein kann.
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Durch diese Abschirmung wird erreicht, dass Laserstrahlung - außer durch Streustrahlung - nicht aus dem Partikelsensor in die Umgebung austreten kann. Sie stellt also keine Gefahr dar und der Partikelsensor kann als Lasergerät mit niedriger Laserschutzklasse (zum Beispiel Laserschutzklasse 1) betrieben werden.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft die Ausgestaltung des Partikelsensors derart, dass er den optischen Zugang gegenüber der Umgebung vollumfänglich abschirmt.
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Unter der Abschirmung des optischen Zugangs gegenüber der Umgebung ist dabei insbesondere zu verstehen, dass für jeden Punkt der Umgebung die gedachte geradlinige Verbindung des Punktes mit jedem Ort, der dem optischen Zugang zuzurechnen ist zumindest einmal an einem Ort schneidet, an dem der Partikelsensor gasundurchlässig ist, zum Beispiel aus einem Metall besteht.
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Der Begriff „Umgebung“ kann dabei wie oben verstanden werden.
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Durch diese Abschirmung wird erreicht, dass Verschmutzungen die aus der Umgebung zu dem Partikelsensor zumindest bei geradliniger Bewegung nicht auf den optischen Zugang treffen können. Der optische Zugang ist somit geschützt und die langfristige Funktionalität des Partikelsensors ist sichergestellt.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft die Ausgestaltung des Partikelsensors derart, dass er ein Schutzrohrmodul aufweist, das die zumindest eine Eintrittsöffnung aufweist, durch die der Strömung des Messgases eine Teilströmung entnehmbar und in das Innere des Schutzrohrmoduls einführbar ist, und die zumindest eine Austrittsöffnung zum Austritt der Teilströmung aus dem Schutzrohrmodul aufweist und dass das Schutzrohrmodul ein erstes Schutzrohr aufweist, das zumindest eine Eintrittsöffnung aufweist, durch die der Strömung des Messgases eine Teilströmung entnehmbar und in das Innere des Schutzrohrmoduls einführbar ist, und/oder das zumindest eine Austrittsöffnung zum Austritt der Teilströmung aus dem Schutzrohrmodul aufweist und dass das Schutzrohrmodul ein zweites Schutzrohr aufweist, das in dem ersten Schutzrohr angeordnet ist, und dass die Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung gegenüber dem ersten Schutzrohr optisch vollumfänglich abschirmt.
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Unter der optischen Abschirmung der Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung gegenüber dem ersten Schutzrohr durch das zweite Schutzrohr ist dabei insbesondere zu verstehen, dass für jeden Punkt des ersten Schutzrohrs eine optische Abbildung auf die Mittel zur Detektion gerade nicht erfolgt, sondern durch die Anwesenheit und die Gestaltung des, beispielsweise metallischen, zweiten Schutzrohrs unterbrochen wird. Mit anderen Worten: Die Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung „sehen“ das erste Schutzrohr nicht. Sie sehen insbesondere stattdessen das zweite Schutzrohr.
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Da das erste Schutzrohr unmittelbar mit der Abgasströmung kommuniziert, während das zweite Schutzrohr in dem ersten Schutzrohr angeordnet ist, also insofern in einem von der Abgasströmung abgeschirmten Bereich angeordnet ist, kann unterstellt werden, dass das erste Schutzrohr heißer ist als das zweite Schutzrohr und auch entsprechend intensiver Temperaturstrahlung emittiert.
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Der Partikelsensor kann beispielsweise derart betrieben werden, dass möglicherweise das erste Schutzrohr, nicht aber das zweite Schutzrohr Temperaturen von über 500°C annimmt.
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Dadurch, dass die Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung gegenüber dem ersten Schutzrohr optisch vollumfänglich abgeschirmt sind, wird erreicht, dass die von dem ersten Schutzrohr emittierte Temperaturstrahlung nicht zu den Mitteln zur Detektion von Temperaturstrahlung gelangt. Die eigentliche Messfunktion ist also weniger gestört.
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Mit dem Merkmal, dass in dem zweiten Schutzrohrs, im Bereich des Laserfokus ein Strömungsgleichrichter angeordnet ist, können die oben erläuterten Aspekte der Erfindung weitergebildet sein. Dieses Merkmal kann aber auch unabhängig von diesen vorteilhaft sein.
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Beispielweise kann der Strömungsgleichrichter aus mehreren zueinander beabstandeten konzentrischen Ringen besteht, die über radiale Verbindungsstege miteinander verbunden sind.
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Beispielweise kann der Strömungsgleichrichter im zweiten Schutzrohr eingepresst sein.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass das zweite Schutzrohr an dem ersten Schutzrohr über einen dünnwandigen Toleranzring radial anliegt. Dadurch wird der Wärmefluss vom ersten Schutzrohr zum zweiten Schutzrohr und damit hin zu wärmeempfindlichen optischen und/oder elektronischen Komponenten des Partikelsensors vermindert.
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Die Wandstärke des Toleranzrings kann beispielsweise maximal 0,2 mm betragen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Schutzrohrmodul ferner ein äußeres Schutzrohr aufweist, das zumindest eine Eintrittsöffnung aufweist, durch die der Strömung des Messgases eine Teilströmung entnehmbar und in das Innere des Schutzrohrmoduls einführbar ist, wobei das erste Schutzrohr in dem äußeren Schutzrohr angeordnet ist, sodass zwischen dem äußeren Schutzrohr und dem ersten Schutzrohr ein Ringraum ausgebildet ist, und dass das erste Schutzrohr zumindest eine erste Überströmöffnung aufweist, durch die die Teilströmung aus dem Ringraum in einen zwischen dem Gehäuse und dem zweiten Schutzrohr ausgebildeten Gehäuseraum strömt, und dass das zweite Schutzrohr zumindest eine zweite Überströmöffnung aufweist, durch die Teilströmung aus dem Zwischenraum in einen im Inneren des zweiten Schutzrohrs befindlichen Gasraum überströmt, in dem sich der Laserfokus befindet, und dass das zweite Schutzrohr zumindest eine dritte Überströmöffnung aufweist, durch die Teilströmung aus dem Gasraum in das Innere des ersten Schutzrohrs überströmt, von wo aus sie den Partikelsensor durch zumindest eine Austrittsöffnung des ersten Schutzrohrs verlässt. Auf diese Weise kann eine gewisse Abkühlung des Abgases bei dem Durchgang durch das Schutzrohrmodul erreicht werden, sodass sich die Aufheizung von wärmeempfindlichen optischen und/oder elektronischen Komponenten des Partikelsensors vermindert.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Strömungsquerschnitt der Eintrittsöffnung(en) gleich dem Strömungsquerschnitt der Austrittsöffnung(en) ist und/oder gleich ist mit dem Strömungsquerschnitt der ersten Überströmöffnung(en), zweiten Überströmöffnung(en) und/oder dritten Überströmöffnung(en). Auf diese Weise kann unerwünschten Drosselungseffekten bei der Durchströmung des Partikelsensors vorgebeugt werden.
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Ist vorgesehen, dass an der zumindest einen ersten Überströmöffnung ein Drallelement angeordnet ist, das die Teilströmung beim Durchgang durch sie in eine um eine Längsachse des Schutzrohrmoduls gerichtete Rotation versetzt, kann eine Homogenisierung des Abgases im Schutzrohrmodul erreicht werden. Zudem wird mittels eines verbesserten Wärmeübergangs von dem Abgas in die Schutzrohre bewirkt, dass sich das Abgas abkühlt. Der Partikelsensor arbeitet dann auch weitgehend unabhängig davon, in welcher Winkellage um seine Längsachse er montiert ist.
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Eine Verschmutzung und Erhitzung des optischen Zugangs kann sehr wirkungsvoll vermindert werden, wenn vorgesehen ist, dass der Partikelsensor ferner ein inneres Schutzrohr aufweist, das innerhalb des zweiten Schutzrohrs angeordnet ist, und dass den optischen Zugang gegenüber der Teilströmung fluidisch abschirmt und/oder die Teilströmung auf den Laserfokus zu umlenkt.
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Es kann vorgesehen sein, 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, das rohrförmig ausgebildet ist und in dem die Mittel zur Fokussierung von Laserlicht auf den Laserfokus angeordnet sind, und dass das Gehäuse ein drittes Teilgehäuse umfasst, das an dem ersten Teilgehäuse montiert ist, rohrförmig ausgebildet ist und das konzentrisch zu dem zweiten Teilgehäuse ist, und dass das dritte Teilgehäuse auf seiner Außenseite Kühlrippen aufweist. Auf diese Weise kann eine Wärmefluss vom Abgas zu den im ersten Teilgehäuse befindlichen wärmeempfindlichen optischen und/oder elektronischen Komponenten des Partikelsensors vermindert werden.
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Die Temperatur des optischen Zugangs kann vermindert werden, indem vorgesehen ist, dass in axialer Erstreckung des Partikelsensors auf der Höhe der Kühlrippen und/oder von dem dem ersten Teilgehäuse gegenüberliegenden Ende des dritten Teilgehäuses in Richtung auf das erste Teilgehäuse hin zurückversetzt ist. Ein Wärmefluss zu den wärmeempfindlichen optischen und/oder elektronischen Komponenten des Partikelsensors ist dann vermindert.
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Indem zwischen einer Dichtfläche eines Montageflansches des Partikelsensors und einer korrespondierenden Dichtfläche einer Abgasleitung, an der der Partikelsensor montiert ist, eine Glimmerdichtung vorgesehen wird, lässt sich ein Wärmefluss entlang dieses Pfades wirkungsvoll unterbrechen. Ein Wärmefluss zu den wärmeempfindlichen optischen und/oder elektronischen Komponenten des Partikelsensors ist dann vermindert. Bei der Glimmerdichtung handelt es sich um eine Dichtung, insbesondere um einen Dichtring, der/die aus dem Material Glimmer besteht. Dabei kann es sich beispielsweise um Muskovit oder Phlogopit handeln.
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Um die Wärmeableitung innerhalb des Partikelsensors zu optimieren, kann vorgesehen sein, dass das zweite Schutzrohr aus einem Blech mit größerer Wandstärke besteht als das erste Schutzrohr und/oder dass das zweite Schutzrohr aus einem Blech mit größerer Wandstärke besteht als das äußere Schutzrohr. Es kann auch vorgesehen sein, dass das äußere Schutzrohr aus einem Blech mit größerer Wandstärke besteht als das erste Schutzrohr. Die Wandstärken könne beispielsweise folgende Werte haben: äußeres Schutzrohr 0,5 mm; erstes Schutzrohr 0,4 mm; zweites Schutzrohr 0,6 mm.
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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 eine Ausführungsform der Erfindung;
- 5 einen vergrößerten Ausschnitt der Ausführungsform aus 4;
- 6 in den Teilen a) und b) jeweils einen Distanzring.
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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 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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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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In der vom ersten Teilgehäuse 101 abgewandten Hälfte 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 300 plan auf und ist mittels einer an sich bekannten V-Band-Schelle 52 lösbar 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 äußeren Schutzrohr 210, einem ersten Schutzrohr 220, einem zweiten Schutzrohr 225 und einem inneren Schutzrohr 230.
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Das äußere 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. Am Rand des Topfes ist das äußere Schutzrohr 210 umlaufend an einem dem Abgas zugewandten, radial einwärtigen Kragen 46.1 des Montageflansches 46 fixiert.
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Das erste Schutzrohr 220 hat eine im wesentlichen hutförmige Gestalt und ist im Wesentlichen im Inneren des äußeren Schutzrohrs 210 angeordnet, sodass zwischen dem äußeren Schutzrohr 210 und dem ersten Schutzrohr 220 ein sich in Längsrichtung erstreckender, durchströmbarer Ringraum 240 ausgebildet ist, welcher sich radial einwärts des Kragens 46.1 in den Montageflansch 46 hinein erstreckt. Das erste Schutzrohr 220 ist beispielsweise abgasseitig an der Innenseite des äußeren Schutzrohrs 210 eingepresst. Alternativ oder zusätzlich kann es auch abgasseitig eine zentrale Öffnung im Boden des äußeren Schutzrohrs 210 durchdringen und insofern abgasseitig über das äußere Schutzrohr 210 vorstehen. Auf der vom Abgas abgewandten Seite des ersten Schutzrohrs 220, im Bereich der radial abstehenden Hutkrempe, ist das erste Schutzrohr 220 an einem radial einwärtig des Kragens 46.1 angeordneten Absatz 46.2 des Montageflanschs 46 fixiert.
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Im Bereich der Hutkrempe des ersten Schutzrohrs 220 sind mehrere erste Überströmöffnungen 303 vorgesehen, die den Ringraum 240 mit einem zwischen dem Gehäuse 100 bzw. dem Montageflansch 46 und dem zweiten Schutzrohr 225 ausgebildeten Gehäuseraum 255 verbinden.
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An jeder ersten Überströmöffnung 303 kann ein Drallelement 303` angeordnet sein, das eine Strömung beim Durchgang durch die Überströmöffnung in eine um eine Längsachse 400 des Schutzrohrmoduls 200 gerichtete Rotation versetzt, siehe auch 5.
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Das zweite Schutzrohr 225 ist mit seinem etwa zylindrisch ausgebildeten abgasseitigen Teil 225.1 innerhalb des ersten Schutzrohrs 220 angeordnet. Auf der in der 4 davon links angeordneten Seite weitet sich das zweite Schutzrohr 225 konisch auf und geht in seinen wiederum etwa zylindrisch ausgebildeten abgasabgewandten Teil 225.2 über, mit dem es an der Innenseite des dritten Teilgehäuses 103 fixiert ist.
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Im abgasabgewandten Teil 225.2 weist das zweite Schutzrohr 225 auf einem umlaufenden Kranz angeordnet mehrere zweite Überströmöffnungen 304 auf, die den Gehäuseraum 255 mit dem im Inneren des zweiten Schutzrohrs befindlichen Gasraum 250 verbinden.
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Das zweite Schutzrohr 225 weist ferner in dem abgasseitigen Teil 225.1 mehrere dritte Überströmbohrungen 305 auf, die den Gasraum 250 mit dem Inneren des ersten Schutzrohrs 220 verbinden.
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Das zweite Schutzrohr weist in dem abgasseitigen Teil 225.1 einen konvex gestalteten Boden auf. Laserstrahlung, die zeitlich nach Durchlaufen des Fokus auf den Boden trifft wird hierbei also zusätzlich gestreut und damit bei der weiteren Propagation in seiner Intensität reduziert.
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Es ist vorgesehen, dass die dritte Überströmöffnungen 305 radial nach außen, nicht aber in die axiale Richtung 400 weisen. Dies hilft in Zusammenwirkung mit den weiteren Schutzrohren 210, 220, einen Austritt von Laserstrahlung aus dem Partikelsensor 16 zu verhindern.
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Wiederum im Inneren des zweiten Schutzrohrs 225 ist das innere 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 225.
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Der Partikelsensor 16 ist derart konzipiert, dass sich der Laserfokus 22 in dem abgasseitigen Teil 225.1 des zweiten Schutzrohrs 225 in der Nähe der konischen Aufweitung des zweiten Schutzrohrs 225 befindet. Um eine Strömung im Bereich des Laserfokus 22 in Längsrichtung zu orientieren und gleichzurichten ist daher hier ein Strömungsgleichrichter 228 angeordnet, beispielsweise in das zweite Schutzrohr 225 eingepresst.
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Es ist im Beispiel vorgesehen, dass der Strömungsgleichrichter 228 aus mehreren zueinander beabstandeten konzentrischen Ringen 228.1 besteht, die über radiale Verbindungsstege 228.2 miteinander verbunden sind, siehe 5.
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Das zweite Schutzrohr 225 ist in seinen abgasseitigen Teil 225.1 über einen Distanzring 229 im Inneren des ersten Schutzrohrs 220 verpresst, siehe auch 5. Durch die Verwendung eines Distanzrings 229 ist eine mechanisch stabile Verbindung bei geringer Wärmeleitung möglich, das zweite Schutzrohr bleibt also kühler.
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6a zeigt einen Distanzring 229, der mit radialen Ausbuchtungen versehen ist. 6b zeigt einen Distanzring 229, der einen c-förmigen Querschnitt aufweist.
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Es ist beispielsweise vorgesehen, das eine Glimmerdichtung 260 in Form eines Glimmerdichtrings, zur Dichtung zwischen einer Dichtfläche des Montageflanschs 46 und einer korrespondierenden Dichtfläche der Abgasleitung angeordnet ist.
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Wie beispielsweise in 4 ersichtlich, ist die Umgebung des Partikelsensors 16 optisch gegenüber dem Laserfokus 22 durch das Schutzrohrmodul 200 und durch das Gehäuse 100 und den Montageflansch 46 vollumfänglich abgeschirmt. Es kann den Partikelsensor 16 (abgesehen von Streustrahlung) keine Laserstrahlung verlassen.
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Wie beispielsweise in 4 ersichtlich, ist das Fenster 42 gegenüber dem Umgebung des Partikelsensors 16 durch das Schutzrohrmodul 200 und durch das Gehäuse 100 und den Montageflansch 46 vollumfänglich abgeschirmt, sodass es vor Verschmutzung geschützt ist.
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Wie beispielsweise in 4 ersichtlich, ist der Photodetektor 26 gegenüber dem ersten Schutzrohr 220 durch das zweite Schutzrohr 225 optisch vollumfänglich abschirmt. Da das zweite Schutzrohr 225 bei Betrieb des Partikelsensors 16 als Abgassensor in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine wesentlich weniger heiß ist als das erste Schutzrohr 220, vermindert sich so die auf den Detektor 26 einfallende Wärmestrahlung. Das durch den Photodetektor nachzuweisende Signal, die Temperaturstrahlung 14, die von den nachzuweisenden Partikeln 12 ausgeht, ist also weniger gestört und der Partikelsensor 16 kann genauer messen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018218734 A1 [0002]
