DE102022113774A1

DE102022113774A1 - Partikelsensor und Verfahren zur Detektion von Partikeln

Info

Publication number: DE102022113774A1
Application number: DE102022113774.0A
Authority: DE
Inventors: Ralf Müller
Original assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik GmbH
Current assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik GmbH
Priority date: 2022-05-31
Filing date: 2022-05-31
Publication date: 2023-11-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst einen Partikelsensor zur Detektion von Partikeln in einem flüssigen oder gasförmigen Medium. Der Partikelsensor umfasst einen Strömungskanal (01, 02) zur Durchleitung des Mediums in einer Strömungsrichtung. Der Strömungskanal weist einen Messabschnitt (02) auf, welcher zwischen zwei sich gegenüberstehenden Messabschnittbegrenzungsflächen (04, 06) ausgebildet ist. Ein Laser dient zur Erzeugung eines quer zur Strömungsrichtung ausgerichteten und zwischen den Messabschnittbegrenzungsflächen (04, 06) verlaufenden Laserstrahles (07). Mindestens eine im Messabschnitt (02) angeordnete Detektoreinheit (12; 13) dient zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung. Die mindestens eine Detektoreinheit (12; 13) umfasst eine Mehrzahl an Detektorelementen (14), welche zumindest in einer der Messabschnittbegrenzungsflächen (04; 06) und zumindest in einer Richtung parallel zu dem durch den Laser erzeugbaren Laserstrahl (07) verteilt angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Detektion von Partikeln in einem flüssigen oder gasförmigen Medium.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst einen Partikelsensor zur Detektion von Partikeln in einem flüssigen oder gasförmigen Medium. Mit dem Partikelsensor kann beispielsweise die Luft in einem Reinraum auf Partikel untersucht werden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Detektion von Partikeln in einem flüssigen oder gasförmigen Medium.
Die DE 10 2007 013 356 A1 zeigt einen Partikelsensor für strömende flüssige oder gasförmige Medien mit einem Gehäusekörper, welcher zwei sich gegenüberliegende Seitenflächen und einen in ihm ausgebildeten Mediumströmungsweg mit wenigstens einem Zuführ-Anschluss für den Mediumstrom umfasst. Der Gehäusekörper weist zudem eine Engpassausgestaltung für die Partikeldetektion und einen Abführ-Anschluss für den Mediumstrom auf. Zwei Anordnungsausnehmungen erstrecken sich jeweils von einer der beiden Seitenflächen bis zur Engpassausgestaltung. Der Partikelsensor umfasst zudem eine miniaturisierte Lichtquelle mit einer Stirnseite mit einem Lichtaustrittsfenster zum Aussenden eines zur Beleuchtung der Engpassausgestaltung bestimmten Lichtstrahles. Ein miniaturisierter Lichtdetektor mit einer Stirnseite mit einem Lichteintrittsfenster dient zum Aufnehmen des durch die Engpassausgestaltung hindurchgegangenen Lichtstrahles.
Aus der US 4,999,513 ist eine Teilchenmessvorrichtung bekannt, bei welcher ein Bestrahlungslicht aus einer ersten Richtung und ein Bestrahlungslicht aus einer zweiten Richtung auf einen zu untersuchenden Abschnitt gerichtet werden. Das in dem zu untersuchenden Abschnitt abgestrahlte Licht wird mit einer Photometrie-Einrichtung erfasst.
Die US 6,049,381 zeigt eine Vorrichtung zur Echtzeitüberwachung von Partikeln in einer Flüssigkeit. Die Flüssigkeit wird beleuchtet und es wird ein Bild des Inneren der Flüssigkeit erzeugt. Das Bild wird erfasst und verarbeitet, um Größe und Form der Partikel in der Flüssigkeit zu bestimmen.
Die DE 10 2017 119 284 A1 zeigt einen Partikelsensor zur Detektion von Partikeln in einem strömenden flüssigen oder gasförmigem Medium. Der Partikelsensor umfasst eine Messzelle, die einen Strömungskanal zur Durchführung des Mediums mit einem zumindest teilweise transparenten Partikelmessabschnitt aufweist. Eine Lichtquelle dient zur Erzeugung eines gebündelten und sich parallel zu oder entlang einer optischen Achse ausbreitenden Lichtstrahles zur Beleuchtung des Partikelmessabschnittes. Eine erste Detektoreinheit ist zur Durchführung des Lichtabschattungs-Messverfahrens und eine zweite Detektoreinheit ist zur Durchführung des Streulicht-Messverfahrens vorgesehen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Detektion von Partikeln auch für größere Mengen bzw. Volumen eines zu untersuchenden Mediums mit einem kompakt ausführbaren Partikelsensor zu ermöglichen, insbesondere wenn sich in einem großen Volumen nur vergleichsweise wenige Partikel befinden. Somit soll die Detektion bei einem gegenüber dem Stand der Technik vergrößerten Volumenstrom möglich sein.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch einen Partikelsensor gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 11.
Der erfindungsgemäße Partikelsensor dient zur Detektion von Partikeln in einem flüssigen oder gasförmigen Medium. Der Partikelsensor kann beispielweise in einem Partikelzähler verwendet werden, mit welchem die Einhaltung von Reinheitsanforderungen beispielsweise an die Luft in einem Reinraum oder in einem Operationssaal oder auch an Wasser zur Trinkwasserversorgung geprüft werden kann. Entsprechend ist das Medium bevorzugt durch Luft, Wasser oder Öl gebildet. Bei den Partikeln handelt es sich um Fremdpartikel, welche in den meisten Fällen nicht im Medium erwünscht sind. Bei den Partikeln handelt es sich insbesondere um Staubpartikel.
Der Partikelsensor umfasst einen Strömungskanal zur Durchleitung des Mediums. Somit wird das Medium im Partikelsensor zum Strömen gebracht. Es ist unerheblich, ob das Medium bei seinem bestimmungsgemäßen Gebrauch strömt oder nicht strömt. Das Medium strömt jedenfalls in einer Strömungsrichtung durch den Strömungskanal. Der Partikelsensor umfasst bevorzugt eine Pumpe zur Erzeugung eines Druckes, um das Medium zum Strömen durch den Strömungskanal zu bringen. Die Pumpe dient bevorzugt zur Erzeugung eines Unterdruckes; insbesondere zur Erzeugung eines Vakuums. Die Pumpe kann beispielsweise durch eine Saugpumpe gebildet sein.
Der Strömungskanal umfasst einen Messabschnitt, welcher zwischen zwei sich gegenüberstehenden Messabschnittbegrenzungsflächen ausgebildet ist. Die Messabschnittbegrenzungsflächen sind bevorzugt parallel zur Strömungsrichtung angeordnet und erstrecken sich somit in ihrer Eigenschaft als Flächen jeweils in einer Richtung parallel zur Strömungsrichtung und in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung. Die Messabschnittbegrenzungsflächen sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Die Messabschnittbegrenzungsflächen sind bevorzugt gleich groß. Die Messabschnittbegrenzungsflächen stehen sich bevorzugt spiegelsymmetrisch gegenüber. Zwischen den Messabschnittbegrenzungsflächen ist ein Hohlraum ausgebildet, durch welchen das Medium strömt. Der Hohlraum weist bevorzugt die Form eines flachen Quaders auf. Die Messabschnittbegrenzungsflächen sind bevorzugt eben, jedoch können sie für besondere Ausführungsformen auch gekrümmt sein. Die Messabschnittbegrenzungsflächen weisen einen Abstand zueinander auf, welcher bevorzugt kleiner als 10 mm ist.
Der Partikelsensor umfasst zudem einen Laser zur Erzeugung eines Laserstrahles. Der Laserstrahl ist quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet. Der Laserstrahl ist bevorzugt senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtet. Der Laserstrahl verläuft zwischen den Messabschnittbegrenzungsflächen. Entsprechend breitet sich der Laserstrahl im Messabschnitt aus, sodass er durch das den Messabschnitt passierende Medium strahlt. Der Laserstrahl ist bevorzugt parallel zu den Messabschnittbegrenzungsflächen ausgerichtet. Der Laserstrahl verläuft bevorzugt mittig zwischen den Messabschnittbegrenzungsflächen.
Der Partikelsensor umfasst zudem mindestens eine im Messabschnitt angeordnete Detektoreinheit zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Licht. Bei der elektromagnetischen Strahlung bzw. bei dem Licht handelt es sich um Streustrahlung bzw. Streulicht, welches entsteht, wenn der Laserstrahl auf einen Partikel im Medium trifft. Die mindestens eine Detektoreinheit umfasst eine Mehrzahl an Detektorelementen, welche auf oder in einer der Messabschnittbegrenzungsflächen angeordnet sind. Die Detektorelemente der mindestens einen Detektoreinheit sind zumindest in einer Richtung parallel zu dem durch den Laser erzeugbaren Laserstrahl verteilt angeordnet. Somit sind die Detektorelemente der mindestens einen Detektoreinheit in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung verteilt angeordnet. Dies führt dazu, dass gleichzeitig mehrere in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung verteilte Partikel detektiert werden können, wodurch der Querschnitt des Messabschnittes größer als im Stand der Technik ausgeführt werden kann und folglich das Medium mit einem größeren Volumenstrom den Partikelsensor passieren kann. Die Detektorelemente der mindestens einen Detektoreinheit sind bevorzugt ausschließlich in einer Richtung parallel zu dem durch den Laser erzeugbaren Laserstrahl verteilt angeordnet. Die Detektorelemente der mindestens einen Detektoreinheit sind bevorzugt in einer Richtung parallel zu dem durch den Laser erzeugbaren Laserstrahl gleich verteilt angeordnet. Die Anzahl der Detektorelemente der mindestens einen Detektoreinheit beträgt bevorzugt zwischen 2 und 100 und weiter bevorzugt zwischen 4 und 20. Ein Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten der verteilt angeordneten Detektorelemente beträgt bevorzugt zwischen 1 mm und 10 mm.
Ein besonderer Vorteil des Partikelsensors besteht darin, dass er die Prüfung größerer Medienmengen bzw. Medienströme ermöglicht und dennoch aufwandsarm und kompakt ausgeführt werden kann. Hierfür sind keine optischen Linsen oder dergleichen nötig. Der erfindungsgemäße Partikelsensor erlaubt die Prüfung von Medienströmen, welche mit einem Volumenstrom von deutlich mehr als 30 Liter je Minute durch den Partikelsensor strömen. Der erfindungsgemäße Partikelsensor erlaubt die Detektion von Partikeln, welche keiner als 1 um groß sind.
Bei bevorzugten Ausführungsformen weist der Strömungskanal eine in den Messabschnitt mündende Düse für das strömende Medium auf. Hierdurch wird gewährleistet, dass das in den Messabschnitt strömende Medium in sehr geringer Entfernung zu der mindestens einen Detektionseinheit durch den Messabschnitt strömt. Daher weist die Düse bevorzugt einen spaltförmigen Düsenauslass auf. Ein senkrecht zu der Strömungsrichtung ausgerichteter Querschnitt des spaltförmigen Düsenauslasses weist bevorzugt die Form eines schmalen Rechteckes auf, sodass der Querschnitt eine Länge und eine Breite besitzt, wobei die Länge mindestens zehnmal so groß wie die Breite ist. Die Länge erstreckt sich parallel zur Richtung des durch den Laser erzeugbaren Laserstrahles und senkrecht zur Strömungsrichtung. Die Breite erstreckt sich senkrecht zur Richtung des durch den Laser erzeugbaren Laserstrahles und senkrecht zur Strömungsrichtung. Die Länge ist bevorzugt mindestens zwanzigmal so groß wie die Breite. Die Breite beträgt bevorzugt zwischen 0,1 mm und 1 mm. Die Länge beträgt bevorzugt mindestens 10 mm und weiter bevorzugt mindestens 20 mm.
Der Laser umfasst bevorzugt eine Optik zur Strahlformung. Der Laser ist bevorzugt dazu ausgebildet, den Laserstrahl so zu formen, dass er zumindest den Querschnitt des spaltförmigen Düsenauslasses abdeckt bzw. überdeckt, sodass das gesamte durch die Düse strömende Medium durch den Laserstrahl tritt. Somit bildet der Laserstrahl einen Vorhang für den Düsenauslass. Hierfür wird der Laserstrahl bevorzugt aufgefächert. Die oben angeführten Angaben mit Bezug auf den Laserstrahl; insbesondere die angeführten Parallelitäten zu dem Laserstrahl; beziehen sich im Falle des aufgefächerter Laserstrahles auf eine mittlere Achse des Laserstrahles. Ein Abstand zwischen der mindestens einen Detektoreinheit und dem durch den Laser erzeugbaren Laserstrahl beträgt bevorzugt höchstens 2 mm.
Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst die mindestens eine Detektoreinheit eine Mehrzahl an optischen Winkelfiltern. Jeweils eines der Winkelfilter ist vor einem der Detektorelemente angeordnet, um einen Einfallswinkel eines auf das jeweilige Detektorelement einfallenden Lichtes zu begrenzen. Hierdurch wird gewährleistet, dass Streulicht, welches infolge eines Auftreffens des Laserstrahles auf einen Partikel entsteht, von möglichst wenigen der Detektorelemente der jeweiligen Detektoreinheit detektiert werden kann; nämlich dem einen nächstliegenden Detektorelement oder den sehr wenigen Detektorelementen, welche dem Partikel am nächsten sind. Abhängig von der Position des Partikels trifft das Streulicht auf genau eines der Detektorelemente der jeweiligen Detektoreinheit oder auf wenige benachbarte der Detektorelemente der jeweiligen Detektoreinheit. Dieses eine Detektorelement der jeweiligen Detektoreinheit bzw. diese sehr wenigen benachbarten der Detektorelemente der jeweiligen Detektoreinheit stellen somit jeweils ein nahes Detektorelement dar. Bevorzugt trifft das Streulicht entweder auf nur eines der Detektorelemente oder zwei benachbarte der Detektorelemente der jeweiligen Detektoreinheit, sodass nie mehr als zwei nahe Detektorelemente der jeweiligen Detektoreinheit existieren. Hierfür müssen die Kennlinien der Winkelfilter mit der geometrischen Anordnung der Detektorelemente, insbesondere mit der Beabstandung der Detektorelemente korrespondieren. Das durch die Winkelfilter tretende Streulicht erreicht die Detektorelemente über eine Länge senkrecht zur Strömungsrichtung hinweg, welche bevorzugt der Länge eines einzelnen der Detektorelemente senkrecht zur Strömungsrichtung gleicht. Ein zu dem einen oder den wenigen nahen Detektorelementen benachbartes Detektorelement kann das Streulicht nicht detektieren, da das Streulicht unter einem größeren Einfallswinkel auf das benachbarte Detektorelement treffen würde, was jedoch durch das dort befindliche Winkelfilter verhindert wird. Diese zu den nahen Detektorelementen benachbarten Detektorelemente stellen somit jeweils ein fernes Detektorelement der jeweiligen Detektoreinheit dar.
Unter dem oben angeführten Einfallswinkel wird gemäß den Konventionen in der Strahlenoptik der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und einem Lot auf das Detektorelement verstanden. Die Winkelfilter lassen einfallende Strahlen mit einem Einfallswinkel, welcher höchstens so groß wie ein Grenzwinkel ist, passieren. Die Winkelfilter lassen einfallende Strahlen mit einem Einfallswinkel, welcher größer als der Grenzwinkel ist, nicht passieren. Dieser Grenzwinkel beträgt bevorzugt (25 ±10) ° und weiter bevorzugt (45 ±10)°. Entsprechend begrenzen die einzelnen Winkelfilter den Einfallswinkel auf das jeweilige Detektorelement bevorzugt auf (45 ±10)°. Die Winkelfilter sind bevorzugt jeweils durch ein dielektrisches Interferenzfilter gebildet. Die Winkelfilter umfassen bevorzugt jeweils ein Trägerglas, auf welchem ein Schichtsystem angeordnet ist.
Grundsätzlich ist es möglich, die nahen und die fernen Detektorelemente auch mit anderen Mitteln als den Winkelfiltern zu bestimmen; beispielsweise im Rahmen der Signalauswertung. Jedenfalls werden die nahen und die fernen Detektorelemente bevorzugt unterschieden, um im Falle von mehreren passierenden Partikeln die einzelnen Partikel individuell detektieren zu können.
Die Detektorelemente sind zur Detektion der gestreuten elektromagnetischen Strahlung bzw. des gestreuten Lichtes ausgebildet. Die Detektorelemente sind bevorzugt durch Fotodioden oder vergleichbare Lichtsensoren gebildet.
Die Detektorelemente der jeweiligen Detektoreinheit bilden bevorzugt zumindest eine Detektorzeile. In dieser Detektorzeile sind die Detektorelemente nebeneinander angeordnet. Die Detektorelemente der jeweiligen Detektoreinheit sind bevorzugt gleich beabstandet. Ein Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter der Detektorelemente beträgt bevorzugt zwischen 1 mm und 10 mm. Die Anzahl der Detektorelemente in der Detektorzeile beträgt bevorzugt zwischen 4 und 20. Die Detektorzeile ist bevorzugt parallel zu dem durch den Laser erzeugbaren Laserstrahl angeordnet. Ein Abstand zwischen der Detektorzeile und einer mittleren Achse des durch den Laser erzeugbaren Laserstrahles beträgt bevorzugt höchstens 3 mm. Die mindestens eine Detektoreinheit kann auch mehrere der Detektorzeilen umfassen, sodass auch Detektorspalten ausgebildet sind.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen umfassen zwei der Detektoreinheiten. Eine erste der Detektoreinheiten ist in einer ersten der Messabschnittbegrenzungsflächen angeordnet. Eine zweite der Detektoreinheiten ist in einer zweiten der Messabschnittbegrenzungsflächen angeordnet. Die einzelnen Detektorelemente der ersten Detektoreinheit stehen jeweils einem der Detektorelemente der zweiten Detektoreinheit gegenüber. Insoweit sind die beiden Detektoreinheiten spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine mittlere Ebene zwischen den beiden Messabschnittbegrenzungsflächen angeordnet. Auch sind die beiden Detektoreinheiten bevorzugt symmetrisch in Bezug auf den durch den Laser erzeugbaren Laserstrahl angeordnet. Die beiden Detektoreinheiten umfassen bevorzugt jeweils eine der oben beschriebenen Detektorzeilen. Die Detektorzeile der ersten Detektoreinheit ist bevorzugt parallel zur Detektorzeile der zweiten Detektoreinheit angeordnet. Die beiden Detektoreinheiten sind bevorzugt gleich ausgeführt und umfassen insbesondere die gleiche Anzahl der Detektorelemente. Ein Vorteil der Nutzung von zwei spiegelsymmetrisch gegenüberliegenden Detektoreinheiten besteht darin, dass es unerheblich ist, in welchem Abstand zur ersten Detektoreinheit ein Partikel den Messabschnitt passiert. Ein großer Abstand zur ersten Detektoreinheit führt zu einem kleinen Abstand zur zweiten Detektoreinheit. Ein großer Abstand zur zweiten Detektoreinheit führt zu einem kleinen Abstand zur ersten Detektoreinheit. Somit ist die Summe der Signale der ersten Detektoreinheit und der zweiten Detektoreinheit nur abhängig von der Größe des Partikels und der daraus resultierenden Strahlungsintensität, jedoch unabhängig vom Abstand des Partikels von den beiden Detektoreinheiten.
Die beiden Messabschnittbegrenzungsflächen bestehen bevorzugt aus einem lichtdichten Material. Die Detektorelemente sind bevorzugt jeweils in einer Mulde in der jeweiligen Messabschnittbegrenzungsfläche vertieft angeordnet. Die Winkelfilter sitzen bevorzugt jeweils auf dem jeweiligen Detektorelement ebenfalls in der jeweiligen Mulde.
Der Partikelsensor umfasst bevorzugt einen Absorber zum Absorbieren des Lichtes des Laserstrahles, nachdem der Laserstrahl den Messabschnitt durchlaufen hat. Der Laser und der Absorber befinden sich an gegenüberliegenden Seiten des Messabschnittes.
Der Strömungskanal ist bevorzugt innerhalb eines Frästeiles ausgebildet. Der Strömungskanal weist eine Oberfläche auf, welche bevorzugt strahlungstechnisch schwarz ausgebildet ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Strömungskanal einen Hauptströmungsteilkanal und mindestens einen Nebenströmungsteilkanal. Der Messabschnitt ist im Hauptströmungsteilkanal ausgebildet. Das zu prüfende Medium wird zumindest durch den Hauptströmungsteilkanal geleitet. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird durch den mindestens einen Nebenströmungsteilkanal ein Teil des zu prüfenden Mediums oder ein Referenzmedium wie zum Beispiel Reinluft geleitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Detektion von Partikeln in einem flüssigen oder gasförmigen Medium mit dem erfindungsgemäßen Partikelsensor. In einem Schritt des Verfahrens wird das Medium durch den Strömungskanal geleitet, sodass das Medium zwischen den beiden Messabschnittbegrenzungsflächen im Messabschnitt hindurchströmt. Der Laser wird betrieben, um einen Laserstrahl im Messabschnitt zu erzeugen. Der Laserstrahl ist quer zur Strömungsrichtung und bevorzugt parallel zu den Messabschnittbegrenzungsflächen ausgerichtet ist. Der Laserstrahl verläuft zwischen den beiden Messabschnittbegrenzungsflächen. Es erfolgt ein Verwenden der mindestens einen Detektoreinheit zum Detektieren von Streulicht, welches durch Streuung des Laserstrahles an einem im Medium vorhandenen zu detektierenden Partikel entsteht. Das Streulicht wird dadurch detektiert, dass eine Zunahme des mit den Detektorelementen detektierten Lichtes festgestellt wird, ohne dass der Laserstrahl oder sonstiges verändert wurde. Da anderes Licht als Ursache hierfür ausgeschlossen werden kann, kann davon ausgegangen werden, dass das detektierte Licht durch von mindestens einem Partikel herrührendes Streulicht gebildet ist. Bevorzugt erreicht kein anderes Licht als das beschriebene Streulicht die Detektorelemente, sodass jegliches Licht, welches mit den Detektorelementen detektiert wird, durch das beschriebene Streulicht gebildet ist. Somit kann auf das Vorhandensein von Partikeln im strömenden Medium geschlossen werden, wofür bevorzugt eine Ermittlung der nahen Detektorelemente erfolgt. Wenn mehr als eines der nahen Detektorelemente in einer der Detektoreinheiten ermittelt wird, werden die Signale der mehreren nahen Detektorelemente bevorzugt addiert. Die mehreren nahen Detektorelemente werden daran erkannt, dass deren Signale gleichzeitig auftreten.
So genannte Koinzidenzen werden bevorzugt dadurch ausgeschlossen, dass für die Messung nur eine maximale Konzentration an Partikeln zugelassen wird.
Weist der Partikelsensor die zwei gegenüberliegend angeordneten Detektoreinheiten auf, so werden die Signale der sich jeweils gegenüberliegenden Detektorelemente bevorzugt addiert, bevor sie weiter ausgewertet werden. Hierdurch wird der Einfluss des Abstandes des passierenden Partikels zur ersten Detektoreinheit bzw. zur zweiten Detektoreinheit egalisiert.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird ausgehend von der Menge des an einem Partikel entstandenen detektierten Streulichtes die Größe des Partikels bestimmt. Somit wird nicht nur die Anzahl der Partikel sondern auch deren Größe bestimmt. Bevorzugt wird die Größe von Partikeln im Bereich zwischen 0,1 µm und 10 µm bestimmt.
Da der erfindungsgemäße Partikelsensor die Prüfung größerer Medienströme erlaubt, wird das Medium durch den Strömungskanal mit einem Volumenstrom geleitet, welcher bevorzugt mindestens 20 Liter je Minute und weiter bevorzugt mindestens 30 Liter je Minute beträgt. Der Volumenstrom beträgt besonders bevorzugt mindestens 100 Liter je Minute.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient bevorzugt zur Detektion von Partikeln in einem flüssigen oder gasförmigen Medium mit einer der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Partikelsensors. Im Übrigen weist das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Partikelsensor beschrieben sind.
Weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

1: eine partielle Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Partikelsensors;
2: eine perspektivische Teilansicht auf den in 1 gezeigten Partikelsensor;
3: eine weitere Schnittansicht des in 1 gezeigten Partikelsensors;
4: eine erste beispielhafte Verteilung von Streulicht bei dem in 1 gezeigten Partikelsensor;
5: eine zweite beispielhafte Verteilung von Streulicht bei dem in 1 gezeigten Partikelsensor; und
6: eine dritte beispielhafte Verteilung von Streulicht bei dem in 1 gezeigten Partikelsensor.

1 zeigt eine partielle Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Partikelsensors. Der Partikelsensor dient zur Bestimmung von Partikeln in Luft, welche durch den Partikelsensor hindurchgeleitet wird. Ein eine Düse bildendes Gehäuse 01 und ein Messabschnitt 02 sind Komponenten eines Strömungskanals, durch welchen die Luft hindurchgeleitet wird. Das Gehäuse 01 dient der Zuführung der Luft aus beispielsweise einem Reinraum (nicht gezeigt) in den Messabschnitt 02. Die Luft strömt in einer Strömungsrichtung 03 durch den Messabschnitt 02, welche hier in der Bildebene liegt. Der Messabschnitt 02 ist zwischen einer ersten Messabschnittbegrenzungsfläche 04 und einer zweiten Messabschnittbegrenzungsfläche 06 ausgebildet. Die beiden Messabschnittbegrenzungsflächen 04, 06 sind parallel zur Strömungsrichtung 03 und hier senkrecht zur Bildebene angeordnet. Die beiden Messabschnittbegrenzungsflächen 04, 06 stehen sich parallel gegenüber. Im Messabschnitt 02 wird mithilfe eines Lasers (nicht gezeigt) ein Laserstrahl 07 erzeugt, welcher senkrecht zur Strömungsrichtung 03 und hier senkrecht zur Bildebene ausgerichtet ist. Der Laserstrahl 07 ist aufgefächert, sodass er in dieser Ansicht nicht lediglich als kleiner Kreis sondern als ein schmales Rechteck dargestellt ist. Der aufgefächerte Laserstrahl 07 erstreckt sich vor einem Düsenauslass 08 des Gehäuses 01, sodass sämtliche Luft, welche aus dem Gehäuse 01 durch den Düsenauslass 08 in den Messabschnitt 02 strömt, durch den Laserstrahl 07 strömt. Die beiden Messabschnittbegrenzungsflächen 04, 06 sind gleich beabstandet zu dem Laserstrahl 07 angeordnet. Ein Abstand der beiden Messabschnittbegrenzungsflächen 04, 06 zu einer Mittellinie des Laserstrahls 07 beträgt beispielhaft jeweils 2,50 mm.
Wenn ein zu detektierender Partikel 09 (gezeigt in 4) mit der Luft durch den Laserstrahl 07 strömt, so wird das Licht des Laserstrahles 07 an dem Partikel gestreut, sodass Streulicht 10 entsteht. Auf den Messabschnittbegrenzungsflächen 04, 06 befinden sich Winkelfilter 11 zur Begrenzung eines Einfallswinkels des auf die Messabschnittbegrenzungsflächen 04, 06 einfallenden Streulichtes 10.
2 zeigt eine perspektivische Teilansicht auf den in 1 gezeigten Partikelsensor. Es ist zu erkennen, wie sich der aufgefächerte Laserstrahl 07 einen Licht-Vorhang für den schlitzförmigen Düsenauslass 08 (gezeigt in 1 und 3 bis 6) bildet.
In der ersten Messabschnittbegrenzungsfläche 04 ist eine erste Detektoreinheit 12 in Form einer Detektorzeile angeordnet. In der zweiten Messabschnittbegrenzungsfläche 06 ist eine zweite Detektoreinheit 13 in Form einer Detektorzeile angeordnet. Die beiden als Detektorzeilen ausgebildeten Detektoreinheiten 12, 13 erstrecken sich parallel zum schlitzförmigen Düsenauslass 08 (gezeigt in 1 und 3 bis 6) und parallel zu dem Laserstrahl 07. Jede der beiden Detektoreinheiten 12, 13 umfasst mehrere quadratische Detektorelemente 14 zur Detektion des durch runde Querschnitte von Lichtkegeln veranschaulichten Streulichtes 10. Die Detektorelemente 14 der beiden Detektoreinheiten 12, 13 stehen sich paarweise gegenüber. Die auf den Detektorelementen 14 befindlichen Winkelfilter 11 (gezeigt in 1) sind in dieser Darstellung weggelassen.
3 zeigt eine weitere Schnittansicht des in 1 gezeigten Partikelsensors. Diese Schnittansicht liegt senkrecht zu der in 1 gezeigten Strömungsrichtung 03. Es ist zunächst das Gehäuse 01 mit dem schlitzförmigen Düsenauslass 08 zu erkennen. Eine Länge 16 des schlitzförmigen Düsenauslasses 08 beträgt beispielhaft 20,50 mm. Eine Breite 18 des schlitzförmigen Düsenauslasses 08 beträgt beispielhaft 0,50 mm. Es wird deutlich, dass die Länge 16 des schlitzförmigen Düsenauslasses 08 um ein Vielfaches größer als dessen Breite 18 ist. Die mehreren Detektorelemente 14 (gezeigt in 2) in den zeilenförmigen Detektoreinheiten 12, 13 (gezeigt in 2) erlauben eine Detektion der Partikel 09 (gezeigt in 4) über den langen schlitzförmigen Düsenauslass 08 hinweg, sodass die Luft mit einem im Vergleich zum Stand der Technik deutlich größerer Volumenstrom durch den Partikelsensor strömen kann.
4 zeigt eine erste beispielhafte Verteilung von Streulicht 10 bei dem in 1 gezeigten Partikelsensor in einer Schnittansicht, welcher senkrecht zu der in 1 gezeigten Strömungsrichtung 03 liegt. In dieser Ansicht sind der schlitzförmige Düsenauslass 08 sowie die beiden Detektoreinheiten 12, 13 des Partikelsensors dargestellt. Weiterhin ist ein zu detektierender Partikel 09 dargestellt, welcher mit der Luft durch den Laserstrahl 07 (gezeigt in 1) strömt. Das daraus resultierende Streulicht 10 trifft in unterschiedlichen Winkeln auf die Detektorelemente 14 der Detektoreinheiten 12, 13. Durch die Winkelfilter 11 (gezeigt in 1) ist sichergestellt, dass nur das Streulicht 10 mit einem Einfallswinkel bis zu einem Grenzwert auf die Detektorelemente 14 trifft, sodass ein wirksamer Streulichtkegel 21 und für die Detektorelemente 14 unwirksames Streulicht 22 resultieren. In dem gezeigten Beispiel beträgt der Grenzwert (45 ±10)°. Der wirksame Streulichtkegel 21 weist in Höhe der Detektorelemente 14 die Breite eines einzelnen der Detektorelemente 14 auf. In der gezeigten ersten beispielhaften Verteilung trifft der wirksame Streulichtkegel 21 mittig auf das dort befindliche Detektorelement 14. Diejenigen der Detektorelemente 14, auf welche der wirksame Streulichtkegel 21 trifft, werden jeweils als ein nahes Detektorelement 23 angesehen, während die übrigen der Detektorelemente 14 jeweils als fernes Detektorelement 24 angesehen werden. Aus der gezeigten ersten beispielhaften Verteilung resultiert jeweils genau ein nahes Detektorelement 23 in jeder der beiden Detektoreinheiten 12, 13.
5 zeigt eine zweite beispielhafte Verteilung von Streulicht 10 bei dem in 1 gezeigten Partikelsensor. Im Unterschied zu der in 4 gezeigten ersten Verteilung trifft der wirksame Streulichtkegel 21 nicht mittig auf das dort befindliche Detektorelement 14, sodass er auch auf ein benachbartes Detektorelement 14 der jeweiligen Detektoreinheit 12, 13 trifft. Daraus resultieren jeweils zwei der nahen Detektorelemente 23 in jeder der beiden Detektoreinheiten 12, 13. In diesem Fall werden die Signale der beiden nahen Detektorelemente 23 jeder der beiden Detektoreinheiten 12, 13 addiert, wenn deren zeitgleiches Auftreten erkannt wird.
6 zeigt eine dritte beispielhafte Verteilung von Streulicht 10 bei dem in 1 gezeigten Partikelsensor. Im Unterschied zu der in 5 gezeigten zweiten Verteilung trifft der wirksame Streulichtkegel 21 mittig auf zwei benachbarte Detektorelemente 14. Daraus resultieren wiederum jeweils zwei der nahen Detektorelemente 23 in jeder der beiden Detektoreinheiten 12, 13. Die Signale der beiden nahen Detektorelemente 23 jeder der beiden Detektoreinheiten 12, 13 werden addiert, wenn deren zeitgleiches Auftreten erkannt wird.
Bezugszeichenliste

01: Gehäuse, Düse
02: Messabschnitt
03: Strömungsrichtung
04: erste Messabschnittbegrenzungsfläche
05: -
06: zweite Messabschnittbegrenzungsfläche
07: Laserstrahl
08: Düsenauslass
09: Partikel
10: Streulicht
11: Winkelfilter
12: erste Detektoreinheit
13: zweite Detektoreinheit
14: Detektorelement
15: -
16: Länge
17: -
18: Breite
19: -
20: -
21: wirksamer Streulichtkegel
22: unwirksames Streulicht
23: nahes Detektorelement
24: fernes Detektorelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007013356 A1 [0002]
US 4999513 [0003]
US 6049381 [0004]
DE 102017119284 A1 [0005]

Claims

Partikelsensor zur Detektion von Partikeln (09) in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, umfassend: - einen Strömungskanal (01, 02) zur Durchleitung des Mediums in einer Strömungsrichtung (03), wobei der Strömungskanal (01, 02) einen Messabschnitt (02) aufweist, welcher zwischen zwei sich gegenüberstehenden Messabschnittbegrenzungsflächen (04, 06) ausgebildet ist; - einen Laser zur Erzeugung eines quer zur Strömungsrichtung (03) ausgerichteten und zwischen den Messabschnittbegrenzungsflächen (04, 06) verlaufenden Laserstrahles (07); und - mindestens eine im Messabschnitt (02) angeordnete Detektoreinheit (12; 13) zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, wobei die mindestens eine Detektoreinheit (12; 13) eine Mehrzahl an Detektorelementen (14) umfasst, welche zumindest in einer der Messabschnittbegrenzungsflächen (04; 06) und zumindest in einer Richtung parallel zu dem durch den Laser erzeugbaren Laserstrahl (07) verteilt angeordnet sind.
Partikelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (01, 02) eine in den Messabschnitt (02) mündende Düse (01) für das strömende Medium umfasst, welche einen spaltförmigen Düsenauslass (08) aufweist, wobei ein Querschnitt des spaltförmigen Düsenauslasses (08) eine Länge (16) und eine Breite (18) besitzt, wobei die Länge (16) mindestens zehnmal so groß wie die Breite (18) ist.
Partikelsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser dazu ausgebildet ist, den Laserstrahl (07) so zu formen, dass er zumindest den Querschnitt des spaltförmigen Düsenauslasses (08) abdeckt.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Detektoreinheit (12; 13) eine Mehrzahl an optischen Winkelfiltern (11) umfasst, wobei jeweils eines der Winkelfilter (11) vor einem der Detektorelemente (14) angeordnet ist, um einen Einfallswinkel eines auf das jeweilige Detektorelement (14) einfallenden Lichtes zu begrenzen.
Partikelsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Winkelfilter (11) jeweils durch ein dielektrisches Interferenzfilter gebildet sind.
Partikelsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Winkelfilter (11) den Einfallswinkel auf das jeweilige Detektorelement (14) auf (45 ±10)° begrenzen.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Detektoreinheit (12; 13) und die optischen Winkelfilter (11) so konfiguriert sind, dass durch die Winkelfilter (11) tretendes Streulicht (10, 21) die Detektorelemente (14) über eine Länge senkrecht zur Strömungsrichtung (03) hinweg erreicht, welche einer Länge eines einzelnen der Detektorelemente (14) senkrecht zur Strömungsrichtung (03) gleicht.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (14) der mindestens einen Detektoreinheit (12; 13) zumindest eine Detektorzeile bilden, in welcher die Detektorelemente (14) nebeneinander angeordnet sind, wobei die Detektorzeile parallel zu dem durch den Laser erzeugbaren Laserstrahl (07) angeordnet ist.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei der Detektoreinheiten (12, 13) umfasst, wobei eine erste der Detektoreinheiten (12) in einer ersten der Messabschnittbegrenzungsflächen (04) angeordnet ist, wobei eine zweite der Detektoreinheiten (13) in einer zweiten der Messabschnittbegrenzungsflächen (06) angeordnet ist, und wobei die einzelnen Detektorelemente (14) der ersten Detektoreinheit (12) jeweils einem der Detektorelemente (14) der zweiten Detektoreinheit (13) gegenüberstehen.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (01, 02) einen Hauptströmungsteilkanal und mindestens einen Nebenströmungsteilkanal umfasst, wobei der Messabschnitt (02) im Hauptströmungsteilkanal ausgebildet ist.
Verfahren zur Detektion von Partikeln (09) in einem flüssigen oder gasförmigen Medium mit einem Partikelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10; folgende Schritte umfassend: - Leiten des Mediums durch den Strömungskanal (01, 02), sodass das Medium zwischen den beiden Messabschnittbegrenzungsflächen (04, 06) im Messabschnitt (02) hindurchströmt; - Erzeugen eines Laserstrahles (07) im Messabschnitt (02) mit dem Laser, wobei der Laserstrahl (07) quer zur Strömungsrichtung (03) ausgerichtet ist und zwischen den beiden Messabschnittbegrenzungsflächen (04, 06) verläuft; und - Verwenden der mindestens einen Detektoreinheit (12; 13) zum Detektieren von Streulicht (10), welches durch eine Streuung des Laserstrahles (07) an einem im Medium vorhandenen Partikel (09) entsteht.