EP3619522A1 - OPTISCHER RUßPARTIKELSENSOR FÜR KRAFTFAHRZEUGE - Google Patents

OPTISCHER RUßPARTIKELSENSOR FÜR KRAFTFAHRZEUGE

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Publication number
EP3619522A1
EP3619522A1 EP18721709.6A EP18721709A EP3619522A1 EP 3619522 A1 EP3619522 A1 EP 3619522A1 EP 18721709 A EP18721709 A EP 18721709A EP 3619522 A1 EP3619522 A1 EP 3619522A1
Authority
EP
European Patent Office
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laser
soot particle
particle sensor
spot
soot
Prior art date
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Pending
Application number
EP18721709.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Radoslav Rusanov
Oliver Krayl
Christoph Daniel Kraemmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3619522A1 publication Critical patent/EP3619522A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • G01N21/718—Laser microanalysis, i.e. with formation of sample plasma
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    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
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    • G01N15/1459—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals the analysis being performed on a sample stream
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    • G01N2015/1493—Particle size
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
    • G01N2021/8557—Special shaping of flow, e.g. using a by-pass line, jet flow, curtain flow

Definitions

  • the present invention relates to a soot particulate sensor according to the preamble of claim 1.
  • a soot particulate sensor comprises a laser module having a laser module and a detector configured for the detection of temperature radiation.
  • Equipped with diesel particulate filters The functionality of these particle filters must be monitored by on-board diagnostic means in accordance with legal requirements.
  • on-board diagnostic means for motor vehicles, for example, an electrical resistance sensors are used, which is of the
  • Applicant be manufactured and sold.
  • the operation of these known sensors is based on the formation of conductive soot paths between two interdigital electrodes. With these sensors, the rise time of the
  • the mass concentration (mg / m 3 exhaust gas or mg / km driving distance) is measured.
  • the calculation of the number concentration is very difficult or even impossible with this sensor concept for a variety of reasons.
  • the known sensor is periodically regenerated by being heated by an integrated heating element to at least 700 ° C, whereby the soot deposits burn away.
  • n of particles (n / m 3 or n / km) in terms of impairment of the Health is the more critical size. It should be noted that especially the small soot particles, which have only a small proportion of the total mass due to their very small mass (m ⁇ r 3 ), are particularly dangerous. This is due to their high "depth of penetration" into the human body, which results from their small size, so it is foreseeable that the legislation will be on board
  • Nanoparticles in air has long been known and is e.g. It is also used intensively for characterizing the combustion process in "glassy” engines in the laboratory or for the characterization of exhaust gases in laboratory environments, whereby the soot particles are subjected to a nanosecond pulse
  • High-power laser heated to several thousand degrees Celsius, so that they emit significant temperature radiation. This thermally induced
  • Light emission of the soot particles is measured with a light detector.
  • the method allows the detection of very small soot particles with a
  • the present invention differs from this
  • Prior art high-power nanosecond lasers operate by virtue of the fact that the soot particle sensor has an optical element arranged in the beam path of the laser of the laser module, which is set up to bundle laser light emitted from the laser module into a spot, and in such a way that the detector is arranged in the soot particle sensor. that it detects radiation emanating from the spot.
  • the radiation may be temperature radiation or radiation released by chemical reactions such as oxidation of the soot occurring in the spot.
  • the sensor according to the invention is also suitable for use as an on-board diagnostic sensor in contrast to the known sensor Motor vehicles.
  • the soot particle sensor according to the invention also uses the principle of laser-induced incandescence.
  • a preferred embodiment is characterized in that the laser module is adapted to generate parallel laser light, and that the optical
  • Element is adapted to bundle outgoing laser laser outgoing parallel laser light in the spot.
  • the laser is a favorable CW laser, such as e.g. a diode laser.
  • CW laser such as e.g. a diode laser.
  • the prior art is high-priced,
  • Ali Zellen lower power of the CW laser is compensated by a strong focus of the laser light.
  • the laser light of the CW laser is focused on a very small spot via the optical element (e.g., a lens). It is quite possible that the laser will be modulated, but it is preferred to use a CW laser. This allows the use of cost-effective semiconductor laser elements (laser diodes), which makes the entire sensor unit cheaper and greatly simplifies the control and evaluation. Due to the very small spot dimensions (for example a few ⁇ m), it can be ensured that at most one soot particle is in the spot and that the measured signal is just from this one soot particle. Thus, a single particle measurement is possible, which the extraction of
  • the invention advantageously also allows a high measuring speed (at least 1 measurement per second compared to several minutes per measurement) and offers the possibility of measuring the
  • the invention allows both the determination of
  • Mass concentration (mg / m 3 or mg / km) and the number concentration (soot particles / m 3 or soot particles / km) of the emitted soot particles.
  • this soot particle count capability of the particulate carbon black sensor of the present invention is particularly important and advantageous.
  • the particulate matter sensor of the invention may be used in any combustion process.
  • Preferred fields of application are the detection of soot particle mass and number concentrations in the on-board
  • the particulate sensor according to the invention is based on the principle of the laser
  • a preferred embodiment is characterized in that the laser is a semiconductor laser element, in particular a laser diode.
  • the detector has at least one photodiode.
  • the photodiode is preferably a photodiode sensitive to near-infrared and visible light.
  • soot particle sensor prefferably has a beam splitter which is arranged in the beam path of the preferably parallel laser light such that it directs at least part of the laser light incident from the laser module onto the optical element and incident from the spot
  • a further preferred embodiment is characterized in that the beam splitter is a polarizing beam splitter, and that the beam splitter is aligned so that it is a predetermined for the incident
  • Polarization direction having laser light is maximum permeability.
  • the soot particle sensor has an optical filter which is arranged in the beam path between the beam splitter and the detector and which is less transparent to the laser light than for outgoing from the spot LII light.
  • the laser is adapted to carry laser light
  • Wavelengths below 500 nm in particular with a wavelength of 405 nm, 450 nm or 465 nm to emit and that the optical filter is such that it attenuates light with wavelengths below 500 nm or even blocked. It is also possible to use a bandpass filter which does not transmit only a region around the laser wavelength.
  • a further preferred embodiment is characterized in that the soot particulate sensor has a first part which is adapted to be exposed to a measurement gas, and a second part which does not expose the measurement gas and which contains the optical components of the soot particulate sensor, both parts passing through an impermeable to the sample gas
  • Partition are separated.
  • a window is mounted, which is permeable to both the laser light and outgoing from the spot LII light.
  • the soot particle sensor has an arrangement of an outer protective tube and an inner protective tube, both having a cylindrical shape, that the protective tubes are arranged coaxially, wherein the axes of the cylindrical shapes preferably parallel to the direction of irradiation of the
  • a further preferred embodiment is characterized in that the soot sensor has a shaker module which has an oscillatingly movable element which is mechanically rigidly connected to the laser module, so that an oscillation of the movable part of the shaker module is transmitted to the laser module.
  • the shaker module has a piezoelectric actuator having the movable element or has an electromagnetic actuator having the movable element or an actuator having the movable element and operating with magnetostriction.
  • the soot particle sensor has at least one pair of electrodes disposed in the soot particle sensor on different sides of the spot.
  • soot particulate sensor be a pair of
  • Sound wave exciters which is arranged in the interior of the inner protective tube.
  • the sound wave exciters are transducers.
  • Transducers preferably operate on a piezo or magnetostriction basis or are actuated electrically or electromagnetically and generate a standing ultrasonic wave.
  • Fig. 1 is a laser-induced incandescence-based measuring principle used in the invention
  • Fig. 2 shows a basic structure of an inventive
  • Fig. 3 shows a first embodiment of an inventive
  • Fig. 4 is based on the subject of Figure 3 second
  • Fig. 8 shows an embodiment of the soot particle sensor of Figure 3 with
  • Fig. 9 shows a third embodiment of a soot particle sensor
  • Fig. 10 shows details of a fourth embodiment of a
  • Fig. 12 is a qualitative representation of a Lll signal, which in a
  • Fig. 13 shows a fourth embodiment of an inventive
  • FIG. 14 shows the beam spot defining a spot of laser light together with a soot particle
  • FIG. Fig. 15 is a Lll signal of a soot particle, which is located on a spatially
  • Fig. 16 shows a fifth embodiment of an inventive
  • FIG. 1 illustrates the measuring principle based on laser-induced incandescence (LH).
  • Laser light 10 of high intensity strikes a soot particle 12.
  • the intensity of the laser light 10 is so high that the absorbed by the soot particles 12 energy of the laser light 10, the soot 12 on several
  • FIG. 2 schematically shows a basic structure of an exemplary embodiment of a soot particle sensor 16 according to the invention.
  • the soot particle sensor 16 has a CW laser module 18 (CW: continuous wave) whose preferably parallel laser light 10 is arranged with at least one in the beam path of the CW laser module 18 optical element 20 is focused on a very small spot 22.
  • the optical element 20 is preferably a first lens 24. Only in the volume of the spot 22 does the intensity of the laser light 10 reach the high values necessary for LH.
  • the invention is not limited to the use of a CW laser. It is also conceivable to use pulsed-powered lasers.
  • the dimensions of the spot 22 are in the range of some ⁇ , in particular in the range of at most 200 ⁇ , so that the spot 22 traversing soot particles 12 are excited to the emission of evaluable radiation powers, either by laser-induced incandescence or by chemical reactions
  • the measurement signal is generated by a detector 26 which is arranged in the soot particle sensor 16 so that it detects radiation emanating from the soot particles 2 passing through the spot 22, in particular temperature radiation.
  • the detector 26 preferably has at least one photodiode 26.1.
  • the exhaust gas velocity can be determined, and the calculation of a particle size spectrum is possible.
  • the first size is for the
  • the laser of the laser module 18 is modulated or switched on and off (duty cycle ⁇ 100%).
  • the laser of the laser module 18 is a CW laser. This allows the use of inexpensive semiconductor laser elements (laser diodes), which reduces the cost of the entire soot particle sensor and greatly simplifies the control of the laser module 18 and the evaluation of the measurement signal. The use of pulsed lasers is not excluded.
  • FIG. 3 shows an advantageous exemplary embodiment of a soot particle sensor 16 according to the invention, which is suitable for use as a soot particle sensor in the exhaust gas of a combustion process.
  • the soot particle sensor 16 has an arrangement of an outer protective tube 28 and an inner protective tube 30.
  • the two protective tubes 28, 30 preferably have a general cylindrical shape or prism shape.
  • the bases of the cylindrical shapes are preferably circular, elliptical or polygonal.
  • the cylinders are preferably arranged coaxially, the axes of the cylinders being oriented transversely to the flow of exhaust gas 32.
  • the inner protective tube 30 protrudes in the direction of the axes beyond the outer protective tube 28 into the flowing exhaust gas 32.
  • the outer protective tube 28 protrudes beyond the inner protective tube 30.
  • the clear width of the outer protective tube 28 is preferably so much larger than the outer diameter of the inner protective tube 30 that results in a first flow cross section between the two protective tubes 28, 30.
  • the inside width of the inner protective tube 30 forms a second
  • the soot particle sensor 6 also has the laser module 18, which preferably generates parallel laser light 10.
  • the laser module 18 In the beam path of the preferably parallel laser light 10 is a beam splitter 34.
  • a the beam splitter 34th without deflecting continuous part of the laser light 10 is focused by the optical element 20 to a very small spot 22 in the interior of the inner protective tube 30. In this spot 22, the light intensity is high enough to heat the soot particles 12 transported with the exhaust gas 32 to several thousand degrees Celsius, so that the heated soot particles 12 significantly
  • the radiation 14 is, for example, in the near-infrared and visible spectral range, without the invention being restricted to radiation 14 from this spectral range.
  • a portion of this non-directionally emitted in the form of temperature radiation radiation 14, or this LII light is detected by the optical element 20 and directed to the detector 26 via the beam splitter 34.
  • This design has the particularly important advantage that only an optical access to the exhaust gas 32 is required, since the same optics, in particular the same optical element 20 for the production of the spot 22 and for detecting the emanating from the soot particles 12 radiation 14 is used.
  • the exhaust gas 32 is an example of
  • sample gas can also be another gas or gas mixture, for example room air.
  • the laser module 18 has a laser diode 36 and a second lens 38, which emit the laser light emitted by the laser diode 36
  • the preferably parallel laser light 10 is focused by the optical element 20 to the spot 22.
  • the optical particulate sensor 16 preferably has an exhaust gas
  • Protective tubes 28, 30 and the optical elements of the soot particle sensor extends.
  • the wall 16.3 is used to isolate the sensitive optical elements of the hot, chemically aggressive and "dirty" exhaust 32.
  • a protective window 40 is mounted in the beam path of the laser light 10 through which the laser light 10 is incident into the exhaust 32 and can incident on the outgoing from the spot 22 radiation 14 to the optical element 20 and from there via the beam splitter 34 to the detector 26.
  • Radiation 14 also take place via separate optical beam paths.
  • Embodiment to produce specified lens combinations Embodiment to produce specified lens combinations.
  • soot particulate sensor 16 can be realized with other laser light sources than the laser diodes 36 shown here for exemplary embodiments.
  • FIG. 4 shows another based on the subject matter of FIG
  • the soot particle sensor 16 of FIG. 4 differs from the soot particle sensor 16 of FIG. 3 by an additional filter 42, which is arranged in the beam path between the beam splitter 34 and the detector 26.
  • the filter 42 is characterized in that it is less permeable to the laser light 10 than for the radiation 14 emanating from the spot 22 when there is a soot particle 12 there.
  • This embodiment significantly improves the signal-to-noise ratio of the light falling on the detector 26, because it reduces the amount of laser light 10 due to back reflections of the laser light 0 to the optical
  • the filter 42 removes the troublesome background to the soot particles 12 e.g. reduces pulses of radiation 14 emitted in the form of temperature radiation.
  • the embodiment comprising the filter 42 specifically exploits the narrow bandwidth of laser sources (e.g., laser diodes) by filtering out that narrow bandwidth in front of the light detector 26. It is also conceivable to use a simple edge filter. The signal-to-noise ratio improves greatly.
  • FIG. 5 shows by way of example the sensitivity of a silicon photodiode which can be used as detector 26 as a function of the wavelength ⁇ of the incident light in arbitrary units.
  • the sensitivity is significant in the range between about 300 nm and 1100 nm. This is transferable to other Si-based detectors 26.
  • Figure 5 also shows a schematic representation of a possible
  • Wavelength ranges 46, 48 in which the detector 26, which is based on silicon, is still sensitive are also sensitive.
  • FIG. 6 also initially shows the sensitivity of a silicon photodiode which can be used as detector 26 as a function of the wavelength ⁇ of FIG. 6
  • the sensitivity range is here divided into a first range 50 of comparatively shorter wavelengths and a second range 52 of comparatively larger wavelengths.
  • the wavelengths of the exciting laser light 10 of the laser module 18 are preferably in the first region 50, for example at wavelengths below 500 nm (e.g., 405, 450, 465 nm).
  • the optical filter 42 is preferably a filter that emits light having wavelengths below, e.g. 500 nm strongly attenuated or even largely blocked.
  • a major advantage of this variant is that it covers almost the entire wavelength range in which a silicon-based detector is sensitive is to use for detection. Another advantage is that this variant allows the use of step filters, the light with
  • Blocking wavelengths below a lower cut-off wavelength and transmitting light with wavelengths above a cut-off wavelength are usually less expensive than bandwidth filters that use light
  • Laser wavelength range containing laser light are.
  • laser diodes are preferably used as laser light sources.
  • laser diodes the
  • Lock-in amplification techniques can then be applied to such a Lll signal to improve the signal-to-noise ratio SNR.
  • a great advantage of this embodiment is that the frequency of the Lll signal is shifted to a high carrier frequency, namely the frequency of the modulation of the intensity of the laser light lying in the MHz range, whereby it reacts much less sensitive to external disturbances, such as They can be triggered, for example, by occurring during driving a motor vehicle vibrations. During driving vibrations occur frequencies of only a few Hz.
  • Laser power modulation at frequencies in the MHz range is typically not possible with high-power pumped ns lasers typically used for LH. If one goes even further in the direction of fs high-power lasers, then these frequencies are again achieved.
  • the particulate matter sensor 16 used in this embodiment corresponds to the embodiments described so far.
  • the temporal modulation of the intensity of the emanating from the laser module 18 laser light is preferably sinusoidal so that the intensity of the emitted laser light 10 corresponds to the maximum power of the laser module 18 and the lowest intensity of the emitted laser light 10 by the (short) shutdown of
  • the Lll signal of the radiation 14 emitted by the soot particle 12 in the form of temperature radiation oscillates at the same frequency and constant phase to oscillate the intensity of the laser light 10.
  • the frequency of such oscillation would have to be in the range of 100 kHz to 10 MHz. so that a soot particle 12 with a typical flight time of 1 ⁇ to 1 ms in the spot 22 can be illuminated several times.
  • this oscillation must not be faster than the typical heating time and cooling time of the soot particle 12 in the spot 22. This time is between 100 ns and 10 s.
  • Figure 7 shows a schematic and qualitative representation of the Lll signal 54 of a soot particle 12 in arbitrary units over time t in the event that the soot particle 12 flies through the area of the spot 22 and thereby a temporally sufficiently rapid modulation of the intensity of the exciting Laser light 10 takes place.
  • the modulation is preferably done with a
  • Modulation frequency ranging from 100kHz to 100MHz.
  • the LII signal 54 maps the intensity of the radiation 14 emitted by the soot particle 12 after excitation by the laser light 10 in the form of temperature radiation.
  • the envelope curve 56 corresponds to the LII signal in the event that the intensity of the laser light 10 is not modulated. A modulation of the stimulating
  • Laser light 10 causes the soot particle 12 from the exciting laser light Is illuminated and heated again and again, so that the result is the rapidly oscillating signal 58 in which the rapid oscillation of the radiation 14 emitted by the soot particles 12 in the form of thermal radiation is reflected.
  • Lock-in amplification techniques may then be applied to such a signal 58 to improve the signal-to-noise ratio (SNR) and, in particular, to eliminate the interfering signal background 60.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of a soot particle sensor 16 with connected control and evaluation electronics 62.
  • the soot particle sensor 16 corresponds, for example, to that explained with reference to FIG. 8
  • the control and evaluation electronics 62 may be a separate control unit, or it may be integrated into a control unit which serves to control the combustion process.
  • the control and evaluation electronics 62 has a control module 64 which modulates the intensity of the laser light 10 emanating from the laser module 18, as e.g. has been explained with reference to Figure 7.
  • the signal from the detector 26 is fed to a lock-in amplifier 66, which is also supplied with a signal which maps the modulation of the laser light. As shown in FIG. 8, this signal can be taken directly from the control module 64, or it can be removed from the laser module 18.
  • Evaluation electronics 62 are correlated with the modulation of the exciting laser light 10, which can be done, for example, by the skilled person to improve the signal-to-noise ratio available lock-in or pseudo random sequence method or signal correlation method.
  • Such modulation of the laser power in the MHz range is usually not possible with pumped high-power ns lasers which are typically used for LH. However, if one goes further into the fs range, such repetition rates are again possible.
  • FIG. 8 An advantageous embodiment of the object of FIG. 8 is characterized by a filter 42 which is arranged as shown in FIG. 4 and has the properties described above. These Embodiment filters out an influence of an oscillation of the intensity of the laser light 10 backscattered by the optical components on the measurement signal generated by the detector 26.
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of a soot particle sensor 16 with connected control and evaluation electronics 62.
  • the soot particle sensor 16 has a shaker module 68.
  • a movable element of the shaker module 68 is mechanically rigid with the
  • soot particle sensor 16 of FIG. 9 corresponds, for example, to the soot particle sensor 16 explained with reference to FIG. 3, so that its description is also valid for the soot particle sensor 16 of FIG.
  • the remaining components of the soot particle sensor 16 of FIG. 9 corresponds, for example, to the soot particle sensor 16 explained with reference to FIG. 3, so that its description is also valid for the soot particle sensor 16 of FIG.
  • Soot particle sensors 16 are not rigid with the moving part of the
  • Shaker modules 68 connected and therefore do not perform its oscillatory motion.
  • the control and evaluation electronics 62 corresponds to the control and evaluation electronics 62 of Figure 8, so that their description is also valid for the control and evaluation electronics 62 of Figure 9, unless explicitly described otherwise.
  • the embodiment of Figure 9 is based on the idea, the position of the spot 22 in relation to the current position of the
  • Soot particles 12 to vary.
  • the spot movement has to be so much faster than the movement of the soot particles 12 with the exhaust gas 32 that the soot particles flying through the spot 22 are repeatedly illuminated and heated while they are in the spot 22, resulting in a periodic LII signal ,
  • a periodic LII signal In such a signal are then preferably lock-in or others
  • the variation of the position of the spot 22 is generated by a movement of the laser module 18 driven by the shaker module 68.
  • the shaker module 68 has, for example, a piezoactuator, which is actuated by the control module 64.
  • a piezoelectric actuator is the use of a piezoelectric actuator.
  • the oscillation movement can take place parallel or transversely to the laser beam direction, which is represented in FIG. 9 by the indication of possible oscillation directions 70.
  • Oscillation direction can also be perpendicular to the plane of the drawing.
  • FIG. 10 shows details of an embodiment of an alternative to FIG.
  • Soot particle sensor 16 which is adapted to cause the spatial position of the spot 22 to oscillate.
  • the soot particle sensor 16 of FIG. 10 has two shaker modules 68a, 68b, the movable part of which is mechanically coupled to the optical element 20, so that an oscillation movement of the shaker module is transmitted to the optical element 20.
  • the mechanical coupling is a rigid connection.
  • the two shaker modules 68a, 68b are preferably driven synchronously and with the same phase and amplitude, so that the optical element 20 is moved back and forth in the propagation direction of the laser light 10, which causes a corresponding movement of the laser beam
  • Radiation waist causes.
  • the movement itself is not limited to a particular shape or direction. It is only important that because of the oscillating movement of the spot 22, the soot particles 12 are each illuminated several times more and less intensively, so that a fluctuation / oscillation of their LII luminous intensity results.
  • Variation of the intensity of the laser light 10 is that the intensity of the laser light backscattered by the optical components does not vary with the variation of the position of the spot 22.
  • the filter 42 of the embodiment shown in FIG. 45 can be dispensed with
  • FIG. 11 shows the spot 22 in a beam waist 73 of the laser light 10 for two different combinations of the flow direction 72 of the gas carrying the soot particles 12 and the propagation direction 74 of the laser light 10.
  • the two are Directions 72, 74 parallel to each other. This corresponds to the arrangement of the so far presented soot particulate sensors.
  • the two directions 72, 74 are transverse to one another, which corresponds to an alternatively conceivable construction of the soot particle sensor. In both cases, it is possible to vary the position of the spot 22 both parallel and perpendicular to the respective direction of movement of the soot particles. This results in at least four possible combinations of
  • the beam waist 73 is the range of the beam path of the laser light 10 in
  • Soot particle sensor 16 in which the laser light 10 is most focused.
  • the size of the beam waist 73 is limited downwardly due to optical laws and therefore can not be infinitely small.
  • the spot 22 is the spatial area where the light intensity and thus the energy density and the temperature of the soot particles are high enough to induce the lasers
  • FIG. 12 shows a schematic exemplary representation of the LII signal 76 of the detector 26, which is caused by a soot particle 12, which flies through the spatially oscillating spot 22.
  • the signal 76 corresponds qualitatively to the signal 54 shown in FIG. 7.
  • the envelope curve 78 corresponds to the LII signal in the event that the spot 22 is not moved. Due to the actual, however, existing variation of the position of the spot 22, the soot particle 12 is illuminated and heated again and again, so that a periodic signal 80 is formed, in which the rapid spatial oscillation of the soot particle 12 is formed. Lock-in amplification techniques, or generally signal correlation techniques, may then be applied to such a signal 80 to improve the signal-to-noise ratio, and in particular to eliminate the interfering signal background 82.
  • Fig. 13 shows a further embodiment of an inventive
  • Soot particle sensor 16 The soot particle sensor 16 according to FIG. 13 is likewise based on that explained with reference to FIGS. 3 and 4
  • Soot particulate sensors 16 and 16 additionally include a pair of electrodes 84, 86 disposed in the soot particle sensor 16 on different sides of the spot 22.
  • the electrodes 84, 86 are preferably inside the inner protective tube 30 arranged. These electrodes 84, 86 serve to generate an alternating electric field, which passes through the spot 22.
  • the AC voltage supplied to the electrodes 84, 86 is supplied in parallel to an input of a lock-in amplifier 66. At least part of the soot particles carries an electrical charge.
  • FIG. 14 shows the beam waist 73 of the laser light 10 defining the spot 22 together with a soot particle 12, which is flying straight through the spot 22.
  • the spot 22 is the spatial area in which the intensity is so high that soot particles 12 passing through are heated so strongly that they are excited to emit radiation, in particular to emit temperature radiation , Without an applied electric field, the soot particle 12 passes through the spot 22 in a uniform movement with the flow velocity of the exhaust gas in the flow direction 72 of the exhaust gas. This situation is shown in part a) of FIG.
  • the trajectory of the (electrically charged) soot particle 12 is impressed on an oscillation, and it leaves the spot 22 and enters the spot 22 after a reversal of the field direction .
  • the soot particle 12 is heated periodically and the LH signal emanating from it is periodically modulated.
  • FIG. 15 shows a schematic representation of the III signal 90 of FIG.
  • Laserspot 22 moves, in arbitrary units over time t.
  • the envelope 92 corresponds to the Lll signal in the event that no alternating electric field is applied.
  • the soot particle is repeatedly illuminated and heated, so that a periodic Lll signal 94 is formed.
  • correlation techniques to improve the signal-to-noise ratio (SNR) and eliminate the interfering background 96.
  • the dimensions of the spot 22 correspond largely to these dimensions.
  • the lateral extent is through the
  • the distance z. c is also referred to as the Rayleigh length and is defined by the beam waist 0 and the wavelength ⁇ of the laser of the laser module 18:
  • the minimum necessary frequency for the applied alternating electric field is now given by the condition that a soot particle 12 once leaves the spot 22 on its way through the spot 22 and enters the spot 22 again. This allows the maximum period At m X and thus the minimum frequency
  • Exhaust gas velocity of about 1 m / s results, for example, a minimum frequency of about 6 kHz.
  • a typical working frequency should be chosen by a factor of at least 10 higher to allow multiple passes of the
  • the Lll signal is periodically modulated at the frequency f and a detection with
  • Correlation techniques lock-in, pseudo-random sequence. This allows a strong suppression of background signals 96, as caused for example by backscattered by optical elements in the beam path light become. Similarly, the use of correlation techniques improves the overall signal-to-noise ratio.
  • the electrodes 84, 86 serving to apply the alternating field may themselves be provided with a heating element to heat them at regular intervals so that the settling soot is burned off.
  • FIG. 16 shows an exemplary embodiment of a soot particle sensor 16, which has sound wave exciters 98, 100 and is based on the soot particle sensor 16 shown in FIG.
  • the pair of acoustic wave exciters 98, 100 is disposed inside the protective tube 30.
  • the sound wave exciters 98, 100 oscillate transversely to the flow direction of the soot particles 12. Die
  • Sound wave exciters 98, 100 are, for example, electrical transducers, e.g. on a piezo or magnetostriction basis or as speakers
  • FIG. 17 shows an example of such a standing ultrasonic wave 102, which adjusts between the sound wave exciters 98, 100.
  • the excitation frequency of the sound wave exciters 98, 100 is thereby preferably set so that the spot 22 in a velocity bump one between the
  • the spot 22 is a space area defined by beam waist 2w 0 and Rayleigh length 2z 0 , in which the intensity of the laser light 10 is high enough to "ignite" LH (applies to all embodiments).
  • LH "ignite” LH
  • Wavelength of the ultrasonic wave of about 5 mm which is well feasible in a protective tube.
  • the soot particle is periodically forced out of focus causing modulation of the particle excitation.
  • the LII signal is periodically modulated at the frequency f and allows detection with correlation techniques (lock-in, pseudo-random sequence). This allows a strong suppression of background signals, as caused by, for example, backscattered light from optical elements in the beam path.
  • the excitation frequency of the sound wave exciters 98, 100 the position of the velocity bump of the standing ultrasonic wave 102 can be controlledly shifted, thereby achieving the desired modulation of the detection signal.
  • the technical advantage of this special solution lies in a still further reduced sampling rate in the signal evaluation, which leads to a simpler evaluation circuit (cost) and consequently to a lower one
  • phase modulation It is also conceivable to modulate the phases of the oscillations of the two sound wave exciters 98, 100 relative to one another (phase modulation).
  • the sound wave exciters 98, 100 themselves serving to generate the ultrasonic wave can themselves be provided with at least one heating element in order to be able to turn them into
  • the result is a time profile of the LII signal, as shown in FIG. 15, and as is typical of a soot particle 12 moving through the spot 22 on an oscillating trajectory.
  • the envelope 92 corresponds to the LII signal in the event that no alternating acoustic field is applied.
  • the soot particle is repeatedly illuminated and heated, so that a periodic Lll signal 94 is formed.
  • Correlation methods can then be applied to such a signal Signal-to-noise ratio (SNR) to improve, as it has already been explained with reference to the thus comparable Figure 12.
  • SNR Signal-to-noise ratio
  • FIG. 18 shows a comparison of a non-polarizing beam splitter 234 with a polarizing beam splitter 134.
  • the left half of FIG. 22 relates to the non-polarizing beam splitter 234, while the right half relates to a polarizing beam splitter 134.
  • the polarizing beam splitter 134 is characterized by the fact that it transmits or reflects light differently depending on the polarization. For a predetermined polarization direction of the incident light results in an almost complete transmission, and for the perpendicular polarization of the incident light results in an almost complete reflection.
  • laser light 10 Since laser light 10 is generally already polarized, it can be
  • polarizing beam splitter 134 occur in the direction of polarization of the polarizing beam splitter 134 suitably chosen in one direction (way to the spot 22) virtually lossless, while the beam splitter surface 234.1 of the non-polarizing beam splitter 234 already up to 50% of the power transported by the laser light 10 from the Nutzstrahlengang
  • This loss is represented in the left part of FIG. 18 by the arrow 10 pointing to the left.
  • this loss component 10 'does not occur.
  • the laser light 10 passes through the beam splitter surface 134.1 of the polarizing beam splitter 134 without being attenuated.
  • the transmitted light is focused through the second lens 20 through the protective window 40 to the spot 22 in the inner protective tube 30.
  • This embodiment has the advantage that the maximum intensity in the spot 22 is increased with otherwise unchanged soot particle sensor 16, which heats up the soot particles 2 to be measured to higher temperatures and thus increases the radiant output of the heated soot particles 12 of the radiation 14 emitted in the form of temperature radiation , The result is an improved signal-to-noise ratio.
  • Radiation 14 emitted by soot particles 12 which are located in the spot 22 and emitted in the direction of the lens is preferably detected by the same lens 20 and directed onto the detector 26 via the preferably polarizing beam splitter 134. Since the radiation 14 emitted by the heated soot particle has no preferred polarization, approximately half of the radiation 14 detected by the lens 20 is directed onto the detector 26. Since the soot particles 12 emit only unpolarized radiation 14, only a residual loss remains in the
  • the polarizing beam splitter 134 can be used as a beam splitter 34 in all exemplary embodiments according to the invention, that is to say in particular in all soot particle sensors described in this application.
  • a non-polarizing beam splitter 234 can be used as a beam splitter 34 in all exemplary embodiments according to the invention, that is to say in particular for all soot particle sensors described in this application.
  • the use of the polarizing beam splitter 134 therefore has the advantage over the embodiments operating with non-polarizing beam splitters 234 that the increased optical pump power results in a substantially higher performance
  • soot particle sensor 16 preferably has an optical filter 42, which in the beam path between the soot particle sensor 16

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Abstract

Vorgestellt wird ein Rußpartikelsensor (16) mit einem einen Laser aufweisenden Lasermodul (18) und mit einem zur Detektion von Temperaturstrahlung (14) eingerichteten Detektor (26). Der Rußpartikelsensor (16) zeichnet sich dadurch aus, dass der Laser dazu eingerichtet ist, Laserlicht (10) erzeugen, und dass der Rußpartikelsensor (16) ein im Strahlengang des Lasers des Lasermoduls (18) angeordnetes optisches Element (20) aufweist, das dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul (18) ausgehendes Laserlicht (10) in einen Spot (22) zu bündeln, und dass der Detektor (26) im Rußpartikelsensor (16) so angeordnet ist, dass er vom Spot (22) ausgehende Strahlung (14) detektiert.

Description

Beschreibung
Titel
Optischer Rußpartikelsensor für Kraftfahrzeuge Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rußpartikelsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Rußpartikelsensor weist ein einen Laser aufweisendes Lasermodul und einen zur Detektion von Temperaturstrahlung eingerichteten Detektor auf.
Mit modernen Dieselmotoren angetriebene Kraftfahrzeuge sind mit
Dieselpartikelfiltern ausgerüstet. Die Funktionsfähigkeit dieser Partikelfilter muss gesetzlichen Vorschriften entsprechend mit On-Board Diagnose-Mitteln überwacht werden. Für Kraftfahrzeuge werden dabei zum Beispiel einen elektrischen Widerstand aufweisende Sensoren verwendet, die von der
Anmelderin hergestellt und vertrieben werden. Die Funktionsweise dieser bekannten Sensoren basiert auf der Bildung von leitfähigen Rußpfaden zwischen zwei Interdigital-Elektroden. Bei diesen Sensoren ist die Anstiegszeit des
Stromes nach Anlegen einer Spannung ein Maß für die Rußkonzentration. Dabei wird die Massenkonzentration (mg/m3 Abgas bzw. mg/km Fahrstrecke) gemessen. Die Berechnung der Anzahlkonzentration (Zahl der Partikel pro m3 Abgas bzw. pro km Fahrstrecke) ist bei diesem Sensorkonzept aus vielfältigen Gründen nur sehr schwer möglich oder sogar unmöglich. Der bekannte Sensor wird periodisch regeneriert, indem er durch ein integriertes Heizelement auf mindestens 700°C aufgeheizt wird, wodurch die Rußablagerungen wegbrennen.
In der wissenschaftlichen Szene, welche sich mit dem Einfluss der feinen Partikel auf die Gesundheit beschäftigt, gibt es seit langem Diskussionen darüber, welche der Größen Partikel-Gesamtmasse (in mg/m3 oder in mg/km angegeben) oder
Anzahl n der Partikel (n/m3 oder n/km) in Bezug auf Beeinträchtigungen der Gesundheit die kritischere Größe ist. Dabei ist zu beachten, dass gerade die kleinen Rußpartikel, welche aufgrund ihrer sehr kleinen Masse (m~r3) einen nur geringen Anteil an der Gesamtmasse haben, besonders gefährlich sind. Dies liegt an ihrer hohen„Eindringtiefe" in den menschlichen Körper, die sich aus ihrer geringen Größe ergibt. Es ist daher absehbar, dass die Gesetzgebung On Board
Diagnose Mittel zur messtechnischen Erfassung auch der Partikelanzahl vorschreiben wird, sobald entsprechende (von der Performance und dem Preis her akzeptable) Lösungen auf dem Markt verfügbar sind. Das Prinzip der Laser Induzierten Inkandeszenz (LH) ist zur Detektion von
Nanopartikeln (in Luft) bereits seit längerem bekannt und wird z.B. auch für die Charakterisierung des Verbrennungsprozesses in„gläsernen" Motoren im Labor oder für die Abgas-Charakterisierung in Laborumgebungen intensiv angewandt. Dabei werden die Rußpartikel mit einem Nanosekunden-Puls eines
Hochleistungslasers auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt, so dass sie signifikant Temperaturstrahlung emittieren. Diese thermisch induzierte
Lichtemission der Rußpartikel wird mit einem Lichtdetektor gemessen. Die Methode erlaubt die Detektion von sehr kleinen Rußpartikeln mit einem
Durchmesser bis hinunter zu einer Größe von wenigen 10 nm. Diese Laser Induzierte Inkandeszenz bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von diesem mit
Hochleistungsnanosekunden-Lasern arbeitenden Stand der Technik dadurch, dass der Rußpartikelsensor ein im Strahlengang des Lasers des Lasermoduls angeordnetes optisches Element aufweist, das dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul ausgehendes Laserlicht in einen Spot zu bündeln, und dass der Detektor im Rußpartikelsensor so angeordnet ist, dass er vom Spot ausgehende Strahlung detektiert. Die Strahlung kann Temperaturstrahlung oder durch chemische Reaktionen wie einer im Spot ablaufenden Oxidation des Rußes freigesetzte Strahlung sein.
Der erfindungsgemäße Sensor eignet sich im Gegensatz zu dem bekannten Sensor auch für eine Verwendung als On Board Diagnose Sensor in Kraftfahrzeugen. Dabei nutzt der erfindungsgemäße Rußpartikelsensor ebenfalls das Prinzip der Laser Induzierten Inkandeszenz.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Lasermodul dazu eingerichtet ist, paralleles Laserlicht erzeugen, und dass das optische
Element dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul ausgehendes paralleles Laserlicht in den Spot zu bündeln.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Laser ein günstiger CW-Laser, wie z.B. ein Diodenlaser. Beim Stand der Technik werden hochpreisige,
gütegeschaltete Festkörperlaser für LII-Experimente verwendet. Die im
Aligemeinen niedrigere Leistung des CW-Lasers wird dabei durch eine starke Fokussierung des Laserlichtes kompensiert. Das Laserlicht des CW-Lasers wird über das optische Element (z.B. eine Linse) auf einen sehr kleinen Spot fokussiert. Es ist durchaus möglich, dass der Laser moduliert wird, aber es wird bevorzugt ein CW-Laser verwendet. Dies ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Halbleiter-Laser-Elementen (Laser-Dioden), was die komplette Sensor-Einheit verbilligt und die Ansteuerung und Auswertung stark vereinfacht. Durch die sehr kleinen Spot-Abmessungen (z.B. einige μηι) kann sichergestellt werden, dass sich stets höchstens ein Rußpartikel in dem Spot befindet und dass das gemessene Signal eben nur von diesem einen Rußpartikel stammt. Damit wird eine Einzelpartikelmessung möglich, welche die Extraktion von
Informationen über das Rußpartikel wie dessen Größe ermöglicht. Dies stellt einen klaren Vorteil gegenüber anderen Messmethoden für die
Rußpartikelmessung dar. Die Erfindung erlaubt vorteilhafterweise auch eine hohe Messgeschwindigkeit (mind. 1 Messung pro Sekunde im Vergleich zu mehreren Minuten pro Messung) und bietet die Möglichkeit einer Messung der
Partikelanzahl. Damit erlaubt die Erfindung sowohl die Bestimmung der
Massenkonzentration (mg/m3 bzw. mg/km) als auch der Anzahlkonzentration (Rußpartikel/m3 oder Rußpartikel/km) der emittierten Rußpartikel.
Dadurch wird auch der Einsatz in mit Ottomotoren angetriebenen
Kraftfahrzeugen zur Überwachung eines dort eingesetzten Benzinpartikelfilters und zur Detektion des Rußpartikelausstoßes des Ottomotors möglich. Gerade bei mit Benzin betriebenen Ottomotoren ist es wichtig, schnell nach dem Start des Fahrzeugs messfähig zu sein, da ein Großteil der Rußpartikel dort beim Kaltstart entsteht. Für Ottomotoren ist die Rußpartikelzahl-Messfähigkeit darüber hinaus auch wegen der Feinheit, d. h. der kleinen Größe der Rußpartikel (wenig
Masse, hohe Anzahl) auch besonders wichtig. Da aktuell auf dem Markt verfügbare Automotive-Sensoren (On-Board) nicht in der Lage sind,
Rußpartikelanzahlen zuverlässig zu messen, ist diese Rußpartikelzahl- Messfähigkeit des erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors besonders wichtig und vorteilhaft.
Über eine Verwendung bei mit Benzin betriebenen Ottomotoren hinaus kann der erfindungsgemäße Rußpartikelsensor bei jedem Verbrennungsprozess verwendet werden. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind die Erfassung von Rußpartikelmassen- und Anzahl-Konzentrationen bei der On Board
Überwachung des Dieselpartikelfilters in Personenkraftwagen und
Lastkraftwagen sowie im Offroadbereich in Baumaschinen, und als Sensor für die Messung von Feinstaubkonzentrationen, zum Beispiel bei einer
Überwachung einer Raumluftqualität oder einer Überwachung der Emissionen von privaten oder industriellen Verbrennungsanlagen, etc.. Der
erfindungsgemäße Rußpartikelsensor basiert auf dem Prinzip der Laser
Induzierten Inkandeszenz.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Laser ein Halbleiter-Laser-Element, insbesondere eine Laserdiode ist.
Bevorzugt ist auch, dass der Detektor wenigstens eine Fotodiode aufweist. Die Fotodiode ist bevorzugt eine für nah-infrarotes und sichtbares Licht empfindliche Fotodiode.
Weiter ist bevorzugt, dass der Rußpartikelsensor einen Strahlteiler aufweist, der im Strahlengang des bevorzugt parallelen Laserlichtes so angeordnet ist, dass er wenigstens einen Teil des von dem Lasermodul her einfallenden Laserlichtes auf das optische Element richtet und von dem Spot her einfallende
Temperaturstrahlung wenigstens zu einem Teil auf den Detektor richtet. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Strahlteiler ein polarisierender Strahlteiler ist, und dass der Strahlteiler so ausgerichtet ist, dass er für das einfallende, eine vorbestimmte
Polarisationsrichtung aufweisende Laserlicht maximal durchlässig ist.
Bevorzugt ist auch, dass der Rußpartikelsensor ein optisches Filter aufweist, das im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler und dem Detektor angeordnet ist und das für das Laserlicht weniger durchlässig ist als für von dem Spot ausgehendes LII-Licht.
Weiter ist bevorzugt, dass der Laser dazu eingerichtet ist, Laserlicht mit
Wellenlängen unterhalb von 500 nm, insbesondere mit einer Wellenlänge von 405 nm, 450 nm oder 465 nm zu emittieren und dass das optische Filter so beschaffen ist, dass es Licht mit Wellenlängen unterhalb von 500 nm abschwächt oder sogar blockiert. Es kann auch ein Bandpassfilter verwendet werden, der nur einen Bereich um die Laserwellenlänge herum nicht durchlässt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Rußpartikelsensor einen ersten Teil aufweist, der dazu eingerichtet ist, einem Messgas ausgesetzt zu werden, und einen dem Messgas nicht auszusetzenden zweiten Teil aufweist, der die optischen Komponenten des Rußpartikelsensors enthält, wobei beide Teile durch eine für das Messgas undurchlässige
Trennwand getrennt sind.
Bevorzugt ist auch, dass in der Trennwand im Strahlengang des Laserlichtes ein Fenster angebracht ist, das sowohl für das Laserlicht als auch für vom Spot ausgehendes LII-Licht durchlässig ist.
Weiter ist bevorzugt, dass der Rußpartikelsensor eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr und einem inneren Schutzrohr aufweist, die beide eine Zylinderform besitzen, dass die Schutzrohre koaxial angeordnet sind, wobei die Achsen der Zylinderformen bevorzugt parallel zur Einstrahlrichtung des
Laserlichtes ausgerichtet sind und der Spot im Inneren des inneren Schutzrohrs liegt, dass das äußere Schutzrohr an seinem dem Laser zugewandten Ende über das innere Schutzrohr hinausragt und dass das innere Schutzrohr an dem entgegengesetzten Ende über das äußere Schutzrohr hinausragt. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Rußsensor ein Shakermodul aufweist, das ein oszillierend bewegliches Element aufweist, das mechanisch starr mit dem Lasermodul verbunden ist, so dass sich eine Oszillation des beweglichen Teils des Shakermoduls auf das Lasermodul überträgt.
Bevorzugt ist auch, dass das Shakermodul einen das bewegliche Element aufweisenden Piezo-Aktor aufweist oder einen das bewegliche Element aufweisenden elektromagnetischen Aktor oder einen das bewegliche Element aufweisenden mit Magnetostriktion arbeitenden Aktor aufweist.
Weiter ist bevorzugt, dass der Rußpartikelsensor mindestens ein Paar von Elektroden aufweist, die im Rußpartikelsensor auf verschiedenen Seiten des Spots angeordnet sind.
Bevorzugt ist auch, dass der Rußpartikelsensor ein Paar von
Schallwellenerregern aufweist, das im Inneren des inneren Schutzrohrs angeordnet ist.
Weiter ist bevorzugt, dass die Schallwellenerreger Transducer sind. Die
Transducer arbeiten bevorzugt auf Piezo- oder Magnetostriktions-Basis oder werden elektrisch oder elektromagnetisch betätigt und erzeugen eine stehende Ultraschallwelle.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der
Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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, jeweils in schematischer Form:
Fig. 1 ein auf der Laser Induzierten Inkandeszenz basierendes Messprinzip, das bei der Erfindung verwendet wird;
Fig. 2 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen
Rußpartikelsensors;
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Rußpartikelsensors;
Fig. 4 ein auf dem Gegenstand der Figur 3 basierendes zweites
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors;
Fig. 5 eine Empfindlichkeit einer als Detektor eines Rußpartikelfilters
verwendbaren Silizium-Fotodiode als Funktion der Wellenlänge λ des einfallenden Lichts mit ersten Wellenlängenbereichen;
Fig. 6 ebenfalls die Empfindlichkeit einer als Detektor verwendbaren Silizium- Fotodiode als Funktion der Wellenlänge λ des einfallenden Lichts mit zweiten Wellenlängenbereichen;
Fig. 7 eine qualitative Darstellung des Lll-Signals eines Rußpartikels bei einer zeitlich hinreichend schnell erfolgenden Modulation der Intensität des anregenden Laserlichtes;
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel des Rußpartikelsensors aus Figur 3 mit
angeschlossener Steuer- und Auswerteelektronik;
Fig. 9 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Rußpartikelsensors mit
angeschlossener Steuer- und Auswerteelektronik;
Fig. 10 Einzelheiten eines vierten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors; Fig. 11 einen Spot in einer Strahltaille des Laserlichtes für verschiedene
Kombinationen der Strömungsrichtung des die Rußpartikel tragenden Gases und der Ausbreitungsrichtung des Laserlichtes in einem erfindungsgemäßen Rußpartikelsensor;
Fig. 12 eine qualitative Darstellung eines Lll-Signals, das sich bei einem
räumlich oszillierenden Spot ergibt;
Fig. 13 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Rußpartikelsensors;
Fig. 14 die einen Spot definierende Strahltaille von Laserlicht zusammen mit einem Rußpartikel; Fig. 15 ein Lll-Signal eines Rußpartikels, welches sich auf einer räumlich
oszillierenden Trajektorie durch einen Laserspot bewegt;
Fig. 16 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Rußpartikelsensors;
Fig. 17 ein Beispiel einer stehenden Ultraschallwelle, die sich zwischen
Schallwellenerregern des Rußpartikelsensors aus Figur 16 einstellt; und
Fig. 18 einen Vergleich eines nicht polarisierenden Strahlteilers mit einem
polarisierenden Strahlteiler.
Figur 1 veranschaulicht das auf der Laser Induzierten Inkandeszenz (LH) basierende Messprinzip. Laserlicht 10 hoher Intensität trifft auf ein Rußpartikel 12. Die Intensität des Laserlichts 10 ist so hoch, dass die vom Rußpartikel 12 absorbierte Energie des Laserlichtes 10 das Rußpartikel 12 auf mehrere
Tausend Grad Celsius erhitzt. Als Folge der Erhitzung emittiert das Rußpartikel 12 spontan und im Wesentlichen ohne Vorzugsrichtung signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung, im Folgenden auch als LII-Licht bezeichnet. Ein Teil der in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 wird daher auch entgegengesetzt zur Richtung des einfallenden Laserlichtes 10 emittiert. Figur 2 zeigt schematisch einen prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors 16. Der Rußpartikelsensor 16 weist hier ein CW-Lasermodul 18 (CW: continuous wave; Dauerstrich) auf, dessen bevorzugt paralleles Laserlicht 10 mit wenigstens einem im Strahlengang des CW-Lasermoduls 18 angeordneten optischen Element 20 auf einen sehr kleinen Spot 22 fokussiert wird. Das optische Element 20 ist bevorzugt eine erste Linse 24. Nur im Volumen des Spots 22 erreicht die Intensität des Laserlichts 10 die für LH notwendigen hohen Werte. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines CW-Lasers beschränkt. Es ist auch denkbar, gepulst betriebene Laser zu verwenden.
Die Abmessungen des Spots 22 liegen im Bereich einiger μιτι, insbesondere im Bereich von höchstens 200 μηι, sodass den Spot 22 durchquerende Rußpartikel 12 zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen angeregt werden, sei es durch laserinduzierte Inkandeszenz oder durch chemische Reaktionen
(insbesondere Oxidation). Als Folge kann davon ausgegangen werden, dass sich stets höchstens ein Rußpartikel 12 in dem Spot 22 befindet und dass ein momentanes Messsignal des Rußpartikelsensors 16 nur von diesem höchstens einen Rußpartikel 12 stammt. Das Messsignal wird von einem Detektor 26 erzeugt, der im Rußpartikelsensor 16 so angeordnet ist, dass er vom den Spot 22 durchfliegenden Rußpartikel 2 ausgehende Strahlung 14, insbesondere Temperaturstrahlung detektiert. Der Detektor 26 weist dazu bevorzugt wenigstens eine Fotodiode 26.1 auf. Damit wird eine Einzelpartikelmessung möglich, welche die Extraktion von Informationen über das Rußpartikel 12 wie Größe und Geschwindigkeit ermöglicht.
Damit lässt sich die Abgasgeschwindigkeit bestimmen, und die Berechnung eines Partikelgrößenspektrums wird möglich. Die erste Größe ist für die
Berechnung der Anzahlkonzentration der Rußpartikel 12 wichtig. In Kombination mit der zweiten Größe kann auch die Massenkonzentration berechnet werden. Dies stellt einen klaren Vorteil gegenüber anderen Messmethoden für die Rußpartikelmessung dar.
Es ist durchaus möglich, dass der Laser des Lasermoduls 18 moduliert bzw. an- und ausgeschaltet wird (duty cycle < 100%). Bevorzugt bleibt jedoch, dass der Laser des Lasermoduls 18 ein CW-Laser ist. Dies ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Halbleiter-Laser-Elementen (Laser-Dioden), was den kompletten Rußpartikelsensor verbilligt und die Ansteuerung des Lasermoduls 18 und die Auswertung des Messsignals stark vereinfacht. Die Verwendung gepulster Laser ist aber nicht ausgeschlossen.
Figur 3 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors 16, der sich für den Einsatz als Rußpartikelsensor im Abgas eines Verbrennungsprozesses eignet.
Der Rußpartikelsensor 16 weist eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr 28 und einem inneren Schutzrohr 30 auf. Die beiden Schutzrohre 28, 30 haben bevorzugt eine allgemeine Zylinderform oder Prismenform. Die Grundflächen der Zylinderformen sind bevorzugt kreisförmig, elliptisch oder vieleckig. Die Zylinder sind bevorzugt koaxial angeordnet, wobei die Achsen der Zylinder quer zur Strömung von Abgas 32 ausgerichtet sind. Das innere Schutzrohr 30 ragt in Richtung der Achsen über das äußere Schutzrohr 28 hinaus in das strömende Abgas 32 hinein. An dem dem strömenden Abgas abgewandten Ende der beiden Schutzrohre 28, 30 ragt das äußere Schutzrohr 28 über das innere Schutzrohr 30 hinaus. Die lichte Weite des äußeren Schutzrohrs 28 ist bevorzugt so viel größer als der äußere Durchmesser des inneren Schutzrohrs 30, dass sich zwischen den beiden Schutzrohren 28, 30 ein erster Strömungsquerschnitt ergibt. Die lichte Weite des inneren Schutzrohrs 30 bildet einen zweiten
Strömungsquerschnitt. Diese Geometrie hat zur Folge, dass Abgas 32 über den ersten
Strömungsquerschnitt in die Anordnung der beiden Schutzrohre 28, 30 eintritt, dann an dem dem Abgas 32 abgewandten Ende der Schutzrohre 28, 30 seine Richtung ändert, in das innere Schutzrohr 30 eintritt und aus diesem vom vorbeiströmenden Abgas 32 herausgesaugt wird. Dabei ergibt sich im inneren Schutzrohr 30 eine laminare Strömung. Diese Anordnung von Schutzrohren 28,
30 wird mit dem Rußpartikelsensor 16 quer zur Abgasströmung an, bzw. in einem Abgasrohr befestigt.
Der Rußpartikelsensor 6 weist darüber hinaus das Lasermodul 18 auf, das bevorzugt paralleles Laserlicht 10 erzeugt. Im Strahlengang des bevorzugt parallelen Laserlichtes 10 befindet sich ein Strahlteiler 34. Ein den Strahlteiler 34 ohne Umlenkung durchlaufender Teil des Laserlichtes 10 wird durch das optische Element 20 zu einem sehr kleinen Spot 22 im Inneren des inneren Schutzrohrs 30 fokussiert. In diesem Spot 22 ist die Lichtintensität hoch genug, um die mit dem Abgas 32 transportierten Rußpartikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius zu erhitzen, so dass die erhitzten Rußpartikel 12 signifikant
Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung emittieren. Die 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 in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14, beziehungsweise dieses LII-Lichtes, wird von dem optischen Element 20 erfasst und über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 gerichtet. Dieser Aufbau hat den besonders wichtigen Vorteil, dass nur ein optischer Zugang zum Abgas 32 benötigt wird, da die gleiche Optik, insbesondere das gleiche optische Element 20 für die Erzeugung des Spots 22 und für das Erfassen der vom Rußpartikel 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.
Beim Gegenstand der Figur 3 weist das Lasermodul 18 eine Laserdiode 36 und eine zweite Linse 38 auf, die das von der Laserdiode 36 ausgehende Laserlicht
10 bevorzugt parallel ausrichtet. Der Einsatz der Laserdiode 36 stellt eine besonders kostengünstige und einfach handhabbare Möglichkeit der Erzeugung von Laserlicht 10 dar. Das bevorzugt parallele Laserlicht 10 wird durch das optische Element 20 zum Spot 22 fokussiert.
Der optische Rußpartikelsensor 16 weist bevorzugt einen dem Abgas
ausgesetzten ersten Teil 16.1 und einen dem Abgas nicht ausgesetzten zweiten Teil 16.2 auf, der die optischen Komponenten des Rußpartikelsensors 16 enthält. Beide Teile sind durch eine Trennwand 16.3 getrennt, die zwischen den
Schutzrohren 28, 30 und den optischen Elementen des Rußpartikelsensors verläuft. Die Wand 16.3 dient der Isolation der empfindlichen optischen Elemente von dem heißen, chemisch aggressiven und„schmutzigen" Abgas 32. In der Trennwand 32 ist im Strahlengang des Laserlichtes 10 ein Schutzfenster 40 angebracht, durch das hindurch das Laserlicht 10 in das Abgas 32 einfällt und über das vom Spot 22 ausgehende Strahlung 14 auf das optische Element 20 und von da aus über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 einfallen kann. Alternativ zu dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Erzeugung des Spots 22 und das Erfassen der von Rußpartikeln im Spot ausgehenden
Strahlung 14 auch über getrennte optische Strahlengänge erfolgen.
Es ist auch denkbar, den Spot 22 mit anderen als den hier lediglich als
Ausführungsbeispiel angegebenen Linsenkombinationen zu erzeugen.
Außerdem kann der Rußpartikelsensor 16 auch mit anderen Laserlichtquellen als den hier für Ausführungsbeispiele angegebenen Laserdioden 36 verwirklicht werden.
Figur 4 zeigt ein auf dem Gegenstand der Figur 3 basierendes weiteres
Ausführungsbeispiel. Der Rußpartikelsensor 16 der Figur 4 unterscheidet sich vom Rußpartikelsensor 16 der Figur 3 durch ein zusätzliches Filter 42, das im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler 34 und dem Detektor 26 angeordnet ist.
Das Filter 42 zeichnet sich dadurch aus, dass es für das Laserlicht 10 weniger durchlässig ist als für die Strahlung 14, die vom Spot 22 ausgeht, wenn sich dort ein Rußpartikel 12 befindet.
Dieses Ausführungsbeispiel verbessert das Signal-to-Noise-Ratio des auf den Detektor 26 fallenden Lichtes deutlich, weil es die Menge an Laserlicht 10, das aufgrund von Rückreflexionen des Laserlichtes 0 an den optischen
Komponenten des Rußpartikelsensors 16 auf den Detektor 26 fallen würde, stark reduziert. Solches Laserlicht würde störende Background-Detektorsignale erzeugen, die eine Detektion der z.B. in Form von Temperaturstrahlung von Rußpartikeln im Spot 22 ausgehenden Strahlung 14 erschweren würden. Durch das Filter 42 wird der störende Background für die von Rußpartikeln 12 z.B. in Form von Temperaturstrahlung emittierten Impulse von Strahlung 14 reduziert. Das den Filter 42 aufweisende Ausführungsbeispiel nutzt spezifisch die schmale Bandbreite von Laserquellen (z.B. Laserdioden) aus, indem genau diese schmale Bandbreite vor dem Lichtdetektor 26 ausgefiltert wird. Denkbar ist auch die Verwendung eines einfachen Kantenfilters. Das Signal-to-Noise-Ratio verbessert sich dadurch sehr stark.
Bei einem Einbau des Rußpartikelsensors 16 in einen Abgasstrang eines Verbrennungsprozesses erlaubt die mit dem Filter 42 erfolgende Ausfilterung des Anregungslichts (Laserlichtes) in Verbindung mit der fast kompletten
Abwesenheit von Fremd-/Umgebungslicht im Abgasstrang die Verwendung von besonders empfindlichen Detektoren 26, z.B. von kostengünstigen SiPM (Silicon photomultiplier) oder SPAD-Dioden (single-photon avalanche diode). Als Folge kann bereits ein von einem besonders kleinen Rußpartikel erzeugtes und daher extrem kleines Lichtsignal, das beispielsweise von wenigen 10 Photonen gebildet wird, detektiert werden. Damit sinken die Abmessungen von Rußpartikeln, die gerade noch nachweisbar sind, auf eine untere Nachweisgrenze von 10 bis 100 nm ab.
Figur 5 zeigt beispielhaft die Empfindlichkeit einer als Detektor 26 verwendbaren Silizium-Fotodiode als Funktion der Wellenlänge λ des einfallenden Lichts in willkürlichen Einheiten. Die Empfindlichkeit ist signifikant im Bereich zwischen ca. 300 nm und 1100 nm. Dies ist auf andere Si-basierte Detektoren 26 übertragbar. Figur 5 zeigt auch eine schematische Darstellung eines möglichen
Wellenlängenbereiches 44 des Laserlichts 10 des anregenden Lasermoduls 18. Licht mit diesen Wellenlängen wird durch das optische Filter 42 aus dem
Strahlengang ausgefiltert, bevor es den Detektor 26 erreicht. Die Detektion der z.B. in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14, die von den im Spot 22 angeregten Rußpartikeln 12 ausgeht, erfolgt in den restlichen
Wellenlängenbereichen 46, 48, in welchen der Detektor 26, der auf Silizium basiert, noch empfindlich ist.
Fig. 6 zeigt zunächst ebenfalls die Empfindlichkeit einer als Detektor 26 verwendbaren Silizium-Fotodiode als Funktion der Weilenlänge λ des
einfallenden Lichts in willkürlichen Einheiten. Der Empfindlichkeitsbereich ist hier in einen ersten Bereich 50 vergleichsweise kürzerer Wellenlängen und einen zweiten Bereich 52 vergleichsweise größerer Wellenlängen aufgeteilt. Die Wellenlängen des anregenden Laserlichtes 10 des Lasermoduls 18 liegen bevorzugt im ersten Bereich 50, beispielsweise bei Wellenlängen von unterhalb von 500 nm (z.B. 405, 450, 465 nm). Das optische Filter 42 ist bevorzugt ein Filter, dass Licht mit Wellenlängen unterhalb von z.B. 500 nm stark abschwächt oder sogar weitestgehend blockiert.
Ein großer Vorteil dieser Variante besteht darin, dass man fast den kompletten Wellenlängenbereich, in dem ein auf Silizium basierender Detektor empfindlich ist, für die Detektion nutzen kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass diese Variante eine Verwendung von Stufenfiltern ermöglicht, die Licht mit
Wellenlängen unterhalb einer unteren Grenzwellenlänge blockieren und Licht mit Wellenlängen oberhalb einer Grenzwellenlänge durchlassen. Solche Stufenfilter sind üblicherweise kostengünstiger als Bandbreitenfilter, die Licht mit
Wellenlängen blockieren, die in einem schmalen, die Wellenlänge des
Laserlichtes enthaltenden Wellenlängenbereich liegen.
Wie bereits erwähnt wurde, werden als Laserlichtquellen bevorzugt Laserdioden verwendet. Neben den bereits erwähnten Vorteilen besitzen Laserdioden den
Vorteil, dass ihre Emission von Laserlicht mit MHz-Frequenzen moduliert werden kann. Dies wird bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel ausgenutzt. Die Grundidee dieses Ausführungsbeispiels besteht in einer zeitlichen Modulation der Intensität des von dem Lasermodul 18 abgestrahlten Laserlichtes 10. Als Folge ergibt sich eine mit gleicher Frequenz erfolgende
Variation in der Intensität der von einem Rußpartikel 12, das sich gerade im Spot 22 befindet, auf Grund von LH in Form von Temperaturstrahlung ausgehenden Strahlung 14. Ein durch den Spot 22 fliegendes Rußpartikel 12 heizt sich dadurch mehrfach auf und kühlt sich zwischen aufeinander folgenden
Aufheizungen jeweils wieder ab, so dass ein periodisches Lll-Signal entsteht. Auf ein solches Lll-Signal können dann Lock-In Verstärkungsverfahren angewandt werden, um das Signal-to-Noise Ratio SNR zu verbessern.
Ein großer Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass die Frequenz des Lll-Signals auf eine hohe Trägerfrequenz, nämlich auf die im MHz-Bereich liegende Frequenz der Modulation der Intensität des Laserlichtes verschoben wird, wodurch es sehr viel weniger empfindlich auf äußere Störungen reagiert, wie sie zum Beispiel durch im Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeuges auftretende Vibrationen ausgelöst werden können. Im Fahrbetrieb auftretende Vibrationen besitzen Frequenzen von nur wenigen Hz.
Eine mit Frequenzen im MHz-Bereich erfolgende Modulation der Laserleistung ist bei gepumpten ns-Hochleistungslasern, welche für LH typischerweise verwendet werden, in der Regel nicht möglich. Geht man noch weiter in die Richtung von fs- Hochleistungslasern, dann werden diese Frequenzen wiederum erreicht. Der bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Rußpartikelsensor 16 entspricht den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen. Die zeitliche Modulation der Intensität des von dem Lasermodul 18 ausgehenden Laserlichtes erfolgt bevorzugt sinusförmig so, dass die Intensität des emittierten Laserlichtes 10 der maximalen Leistung des Lasermoduls 18 entspricht und die niedrigste Intensität des emittierten Laserlichtes 10 durch das (kurzzeitige) Abschalten des
Lasermoduls 18 erreicht wird.
In Bezug auf die Signalform und Spanne sind aber auch alle möglichen anderen Variationen denkbar. Lediglich als Beispiel seien dazu ein rechteckförmiger oder ein sägezahnförmiger Verlauf der Intensität über der Zeit genannt. Bei einer Modulation, bei der sich die Intensität des Laserlichtes 10 mit einer im MHz- Bereich liegenden Frequenz ändert, wird die Intensität im Spot 22 in der
Zeitspanne, in der ein sich mit typischen Abgasgeschwindigkeiten durch den Spot 22 fliegendes Rußpartikel 12 im Spot 22 befindet, mehrfach maximale und minimale Werte annehmen, so dass sich der Rußpartikel 12 periodisch erhitzt und abkühlt. Damit oszilliert das Lll-Signal der von dem Rußpartikel 12 in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 mit der gleichen Frequenz und mit konstanter Phase zur Oszillation der Intensität des Laserlichtes 10. Die Frequenz einer solchen Oszillation müsste im Bereich von 100 kHz bis 10 MHz liegen, damit ein Rußpartikel 12 mit einer typischen Durchflugzeit von 1 ε bis 1 ms im Spot 22 mehrmals angeleuchtet werden kann. Anderseits darf diese Oszillation nicht schneller als die typische Aufheizzeit und Abkühlzeit des Rußpartikels 12 im Spot 22 sein. Diese Zeit liegt zwischen 100 ns und 10 s.
Figur 7 zeigt eine schematische und qualitative Darstellung des Lll-Signals 54 eines Rußpartikels 12 in willkürlichen Einheiten über der Zeit t für den Fall, dass das Rußpartikel 12 durch den Bereich des Spots 22 fliegt und dabei eine zeitlich hinreichend schnell erfolgende Modulation der Intensität des anregenden Laserlichtes 10 erfolgt. Die Modulation erfolgt bevorzugt mit einer
Modulationsfrequenz, die im Bereich von 100kHz bis 100MHz liegt. Das Lll- Signal 54 bildet die Intensität der vom Rußpartikel 12 nach Anregung durch das Laserlicht 10 in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 ab. Die Hüll-Kurve 56 entspricht dem Lll-Signal für den Fall, dass die Intensität des Laserlichtes 10 nicht moduliert wird. Eine Modulation des anregenden
Laserlichtes 10 führt dazu, dass der Rußpartikel 12 vom anregenden Laserlicht 10 immer wieder beleuchtet und erhitzt wird, so dass sich als Folge das schnell oszillierende Signal 58 ergibt, in dem sich die schnelle Oszillation der vom Rußpartikel 12 in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 abbildet. Auf ein solches Signal 58 können dann Lock-In Verstärkungsverfahren angewandt werden, um das Signal-to-Noise Ratio (SNR) zu verbessern und insbesondere den störenden Signalhintergrund 60 zu eliminieren.
Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Rußpartikelsensors 16 mit angeschlossener Steuer- und Auswerteelektronik 62. Der Rußpartikelsensor 16 entspricht zum Beispiel dem unter Bezug auf die Figur 3 erläuterten
Rußpartikelsensor 16, so dass die Beschreibung der Figur 3 auch für die Figur 8 gültig ist. Die Steuer- und Auswerteelektronik 62 kann ein separates Steuergerät sein, oder sie kann in ein Steuergerät integriert sein, das zur Steuerung des Verbrennungsprozesses dient. Die Steuer- und Auswerteelektronik 62 weist ein Steuermodul 64 auf, das die Intensität des vom Lasermodul 18 ausgehenden Laserlichtes 10 so moduliert, wie es z.B. unter Bezug auf die Figur 7 erläutert worden ist. Das Signal des Detektors 26 wird einem Lock-In-Verstärker 66 zugeführt, dem darüber hinaus ein Signal zugeführt wird, das die Modulation des Laserlichtes abbildet. Dieses Signal kann, wie es in der Figur 8 dargestellt ist, direkt von dem Steuermodul 64 abgenommen werden, oder es kann vom Lasermodul 18 abgenommen werden. Als Folge kann das Signal des Detektors 26 bei der Signalverarbeitung und Signalverstärkung in der Steuer- und
Auswertelektronik 62 mit der Modulation des anregenden Laserlichtes 10 korreliert werden, was zum Beispiel durch dem Fachmann zur Verbesserung des Signal-to-Noise-Ratios zur Verfügung stehende Lock-In-Verfahren oder Pseudo- Random-Sequences-Verfahren oder generell Signalkorrelationsverfahren erfolgen kann.
Eine solche Modulation des Laserleistung im MHz-Bereich ist bei gepumpten ns- Hochleistungslasern, welche für LH typischerweise verwendet werden, in der Regel nicht möglich. Geht man allerdings weiter in den fs-Bereich, sind solche Repetitionsraten wiederum möglich.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Gegenstands der Fig. 8 zeichnet sich durch einen Filter 42 aus, der so angeordnet ist, wie es in der Figur 4 dargestellt ist, und der die weiter oben beschriebenen Eigenschaften aufweist. Diese Ausgestaltung filtert einen Einfluss einer Oszillation der Intensität des durch die optischen Komponenten rückgestreuten Laserlichts 10 auf das vom Detektor 26 erzeugte Messsignal aus. Figur 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rußpartikelsensors 16 mit angeschlossener Steuer- und Auswerteelektronik 62. Der Rußpartikelsensor 16 weist ein Shakermodul 68 auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein bewegliches Element des Shakermoduls 68 mechanisch starr mit dem
Lasermodul 18 verbunden, so dass sich eine Oszillation des beweglichen Teils des Shakermoduls 68 auf das Lasermodul 18 überträgt. Im Übrigen entspricht der Rußpartikelsensor 16 der Figur 9 zum Beispiel dem unter Bezug auf die Figur 3 erläuterten Rußpartikelsensor 16, so dass dessen Beschreibung auch für den Rußpartikelsensor 16 der Figur 9 gültig ist. Die übrigen Bestandteile des
Rußpartikelsensors 16 sind nicht starr mit dem beweglichen Teil des
Shakermoduls 68 verbunden und führen daher dessen Oszillationsbewegung nicht aus. Die Steuer-und Auswerteelektronik 62 entspricht der Steuer- und Auswerteelektronik 62 der Figur 8, so dass deren Beschreibung auch für die Steuer- und Auswerteelektronik 62 der Figur 9 gültig ist, sofern nicht explizit etwas anderes beschrieben wird. Dem Ausführungsbeispiel der Figur 9 liegt die Idee zugrunde, die Position des Spots 22 in Relation zur aktuellen Position der
Rußpartikel 12 zu variieren. Dabei muss die Spotbewegung so viel schneller als die Bewegung der Rußpartikel 12 mit dem Abgas 32 sein, dass durch den Spot 22 fliegende Rußpartikel, während sie sich im Spot 22 befinden, mehrfach beleuchtet und erhitzt werden, so dass sich ein periodisches Lll-Signal ergibt. Auf ein solches Signal werden dann bevorzugt Lock-In oder andere
Verstärkungsverfahren angewandt, wie es unter Bezug auf die Figur 8 erläutert worden ist. Ein Unterschied zur Figur 8 ergibt sich dadurch, dass dem Lock-In Verstärker 66 das Ansteuersignal des Shakermoduls 68 zugeführt wird, da dieses synchron zur Bewegung des Spots 22 und damit zur Variation der Intensität des Lll-Signals ist.
Die Variation der Position des Spots 22 wird durch eine vom Shakermodul 68 angetriebene Bewegung des Lasermoduls 18 erzeugt. Das Shakermodul 68 weist zum Beispiel einen Piezo-Aktor auf, der vom Steuermodul 64 betätigt wird. Alternativ zu einem Piezoaktor ist auch die Verwendung eines
elektromagnetischen Aktors oder eines mit Magnetostriktion arbeitenden Aktors denkbar. Je nach Ausgestaltung des Aktors kann die Oszillationsbewegung parallel oder quer zur Laserstrahlrichtung erfolgen, was in der Figur 9 durch die Angabe möglicher Oszillationsrichtungen 70 repräsentiert wird. Die
Oszillationsrichtung kann auch senkrecht auf der Zeichnungsebene stehen.
Figur 10 zeigt Details einer zur Figur 9 alternativen Ausgestaltung eines
Rußpartikelsensors 16, der dazu eingerichtet ist, die räumliche Lage des Spots 22 oszillieren zu lassen. Der Rußpartikelsensor 16 der Figur 10 weist zwei Shakermodule 68a, 68b auf, deren beweglicher Teil jeweils mit dem optischen Element 20 mechanisch gekoppelt ist, so dass sich eine Oszillationsbewegung des Shakermoduls auf das optische Element 20 überträgt. Bevorzugt ist die mechanische Kopplung eine starre Verbindung. Die beiden Shakermodule 68a, 68b werden bevorzugt synchron und mit gleicher Phase und Amplitude angesteuert, so dass das optische Element 20 in Ausbreitungsrichtung des Laserlichts 10 hin und her bewegt wird, was eine entsprechende Bewegung der
Strahltaille bewirkt.
Für die Variation der Position des Spots 22 sind auch weitere geeignete
Verfahren denkbar. Auch ist die Bewegung selbst nicht auf eine bestimmte Form oder Richtung beschränkt. Wichtig ist nur, dass Rußpartikel 12 wegen der oszillierenden Bewegung des Spots 22 jeweils mehrmals mehr und weniger intensiv angeleuchtet werden, so dass eine Schwankung/Oszillation ihrer LII- Leuchtintensität entsteht. Ein Hauptvorteil der Variation der Position des Spots 22 gegenüber einer
Variation der Intensität des Laserlichtes 10 liegt darin, dass die Intensität des durch die optischen Komponenten rückgestreuten Laserlichts bei der Variation der Position des Spots 22 nicht variiert. Damit kann bei Ausführungsbeispielen, die mit der Variation der Position des Spots 22 arbeiten, auf den Filter 42 des in der Figur 45 dargestellten Ausführungsbeispiels verzichtet werden, was
Kosteneinsparungen möglich macht.
Die Figur 1 1 zeigt den Spot 22 in einer Strahltaille 73 des Laserlichtes 10 für zwei verschiedene Kombinationen der Strömungsrichtung 72 des die Rußpartikel 12 tragenden Gases und der Ausbreitungsrichtung 74 des Laserlichtes 10. Im Teil a) der Figur 1 1 (links) sind die beiden Richtungen 72, 74 parallel zueinander. Dies entspricht der Anordnung der bis hier vorgestellten Rußpartikelsensoren. Im Teil b) der Figur 11 (rechts) sind die beiden Richtungen 72, 74 quer zueinander, was einem alternativ denkbaren Aufbaus des Rußpartikelsensors entspricht. In beiden Fällen ist es möglich, die Position des Spots 22 sowohl parallel als auch senkrecht zur jeweiligen Bewegungsrichtung der Rußpartikel zu variieren. Es ergeben sich also mindestens vier mögliche Kombinationen von
Oszillationsrichtung 70 des Spots 22 und Ausbreitungsrichtung des Laserlichtes 10. Die Strahltaille 73 ist der Bereich des Strahlengangs des Laserlichtes 10 im
Rußpartikelsensor 16, in dem das Laserlicht 10 am stärksten fokussiert ist. Die Größe der Strahltaille 73 ist aufgrund von optischen Gesetzmäßigkeiten nach unten beschränkt und kann daher nicht unendlich klein sein. Der Spot 22 ist der räumliche Bereich, in dem die Lichtintensität und damit die Energiedichte und die Temperatur der Rußpartikel hoch genug sind, um die Laser Induzierte
Inkandeszenz zu erzeugen oder chemische Reaktionen zu zünden.
Fig. 12 zeigt eine schematische beispielhafte Darstellung des Lll-Signals 76 des Detektors 26, das von einem Rußpartikel 12 hervorgerufen wird, welches durch den räumlich oszillierenden Spot 22 fliegt. Das Signal 76 entspricht qualitativ dem in der Figur 7 dargestellten Signal 54. Die Hüll-Kurve 78 entspricht dem LII- Signal für den Fall, dass der Spot 22 nicht bewegt wird. Durch die tatsächlich jedoch vorhandene Variation der Position des Spots 22 wird das Rußpartikel 12 immer wieder beleuchtet und erhitzt, so dass ein periodisches Signal 80 entsteht, in dem sich die schnelle räumliche Oszillation des Rußpartikels 12 abbildet. Auf ein solches Signal 80 können dann Lock-In Verstärkungsverfahren oder allgemein Signalkorrelationsverfahren angewandt werden um das Signal-to- Noise-Ratio zu verbessern und insbesondere den störenden Signalhintergrund 82 zu eliminieren.
Fig. 13 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Rußpartikelsensors 16. Der Rußpartikelsensor 16 nach der Figur 13 basiert ebenfalls auf den unter Bezug auf die Figuren 3 und 4 erläuterten
Rußpartikelsensoren 16 und weist zusätzlich ein Paar von Elektroden 84, 86 auf, die im Rußpartikelsensor 16 auf verschieden Seiten des Spots 22 angeordnet sind. Die Elektroden 84, 86 sind bevorzugt im Inneren des inneren Schutzrohrs 30 angeordnet. Diese Elektroden 84, 86 dienen zum Erzeugen eines elektrischen Wechselfeldes, das den Spot 22 durchsetzt. Die das Feld erzeugende
Wechselspannung wird vom Steuermodul 64 an die Elektroden 85, 86 angelegt. Im Ergebnis führt dies zu einer extern induzierten räumlichen Oszillation des Rußpartikelstroms, die das Messsignal periodisch moduliert. Dies ermöglicht die
Verwendung von Korrelationstechniken (wie z.B. von Lock-In oder Pseudo- Random Sequence) in der Detektion, was das Signal-to-Noise-Ratio um mehrere Größenordnungen verbessert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiei wird die den Elektroden 84, 86 zugeführte Wechselspannung parallel einem Eingang eines Lock-In-Verstärkers 66 zugeführt. Zumindest ein Teil der Rußpartikel trägt eine elektrische Ladung.
Die Figur 14 zeigt die den Spot 22 definierende Strahltaille 73 des Laserlichtes 10 zusammen mit einem Rußpartikel 12, das gerade durch den Spot 22 hindurch fliegt. Wie bei allen anderen Figuren so gilt auch hier, dass der Spot 22 der räumliche Bereich ist, in dem die Intensität so hoch ist, dass durchfliegende Rußpartikel 12 so stark erhitzt werden, dass sie zur Emission von Strahlung, insbesondere zur Emission von Temperaturstrahlung angeregt werden. Ohne angelegtes elektrisches Feld durchläuft der Rußpartikel 12 den Spot 22 in einer gleichförmigen Bewegung mit der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in der Strömungsrichtung 72 des Abgases. Diese Situation ist im Teil a) der Figur 14 dargestellt. Durch das Anlegen des elektrischen Wechselfeldes, das quer zur Strömungsrichtung 72 des Abgases ausgerichtet ist, wird der Trajektorie des (elektrisch geladenen) Rußpartikels 12 eine Oszillation aufgeprägt, und es verlässt den Spot 22 und tritt nach einer Umkehr der Feldrichtung wieder in den Spot 22 ein. Unter der Voraussetzung einer hinreichend großen Frequenz des elektrischen Wechselfeldes wird der Rußpartikel 12 periodisch aufgeheizt und das von ihm ausgehende LH Signal periodisch moduliert.
Figur 15 zeigt eine schematische Darstellung des Lll-Signals 90 eines
Rußpartikels, welches sich auf einer oszillierenden Trajektorie durch den
Laserspot 22 bewegt, in willkürlichen Einheiten über der Zeit t. Die Hüllkurve 92 entspricht dem Lll-Signal für den Fall, dass kein elektrisches Wechselfeld angelegt wird. Durch das periodische Betreten und Verlassen des Laserspots aufgrund des angelegten Wechselfeldes wird der Rußpartikel immer wieder beleuchtet und erhitzt, sodass ein periodisches Lll-Signal 94 entsteht. Auf ein solches Signal können, wie es weiter oben für andere Ausgestaltungen bereits beschrieben worden ist, Korrelationsverfahren angewandt werden, um das Signal-to-Noise-Ratio (SNR) zu verbessern und den störenden Hintergrund 96 zu eliminieren.
Eine Abschätzung der hierfür notwendigen Frequenzen kann durch folgende Rechnung erfolgen: Die maßgeblichen Längen für diese Prozesse sind durch die axiale Ausdehnung 2zo und laterale Ausdehnung 2w0 der Strahltaille 73
(Laserfokus) gegeben. Die Abmessungen des Spots 22 entsprechen diesen Abmessungen weitgehend. Die laterale Ausdehnung ist dabei durch den
Intensitätsabfall auf 1/e2 gegeben, wie in der Gaußschen Strahloptik üblich. Der Abstand z.c wird auch als Rayleigh-Länge bezeichnet und ist definiert über die Strahltaille 0 und die Wellenlänge λ des Lasers des Lasermoduls 18:
MO '
Die minimal notwendige Frequenz für das angelegte elektrische Wechselfeld ist nun durch die Bedingung gegeben, dass ein Rußpartikel 12 einmal auf seinem Weg durch den Spot 22 den Spot 22 verlässt und wieder in den Spot 22 eintritt. Damit lässt sich die maximale Periodendauer Atm X und damit die minimale Frequenz
1 _ 2zQ
unter Berücksichtigung der Abgas-Flussgeschwindigkeit v xh berechnen: Für eine Strahltaille von 2w0=10 pm, eine Wellenlänge von 1 pm sowie eine
Abgasgeschwindigkeit von etwa 1 m/s ergibt sich beispielsweise eine minimale Frequenz von etwa 6 kHz. Eine typische Arbeitsfrequenz sollte um einen Faktor von mindestens 10 höher gewählt werden, um mehrere Durchgänge des
Rußpartikels 22 durch den Spot 22 zu ermöglichen. Hierdurch wird das Lll-Signal periodisch mit der Frequenz f moduliert und eine Detektion mit
Korrelationstechniken (Lock-In, Pseudo-Random Sequence) ermöglicht. Dies erlaubt eine starke Unterdrückung von Hintergrundsignalen 96, wie sie bspw. durch von optischen Elementen im Strahlengang rückgestreutes Licht verursacht werden. Ebenso wird durch die Verwendung von Korrelationstechniken das generelle Signal-to-Noise-Ratio verbessert.
Die Verwendung dieser Korrelationsverfahren ist mit den beim Stand der Technik verwendeten, gütegeschalteten, gepulsten ns-Lasern aufgrund von deren geringen Repetitionsraten nicht bei hohen Frequenzen (im Bereich von kHz- MHz) möglich. Mit der hier vorgeschlagenen Erfindung ist dies problemlos möglich.
Die zum Anlegen des Wechselfeldes dienenden Elektroden 84, 86 selbst können mit einem Heizelement versehen werden, um sie in regelmäßigen Abständen aufzuheizen, sodass der sich absetzende Ruß abgebrannt wird.
Figur 16 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Rußpartikelsensors 16, der Schallwellenerreger 98, 100 aufweist und auf dem in der Figur 3 dargestellten Rußpartikelsensor 16 basiert. Das Paar von Schallwellenerregern 98, 100 ist im Inneren des Schutzrohrs 30 angeordnet. Die Schallwellenerreger 98, 100 schwingen quer zur Strömungsrichtung der Rußpartikel 12. Die
Schallwellenerreger 98, 100 sind zum Beispiel elektrische Transducer, die z.B. auf Piezo- oder Magnetostriktions-Basis oder wie Lautsprecher
elektromagnetisch betätigt werden und eine stehende Ultraschallwelle erzeugen.
Figur 17 zeigt ein Beispiel einer solchen stehenden Ultraschallwelle 102, die sich zwischen den Schallwellenerregern 98, 100 einstellt. Die Erregerfrequenz der Schallwellenerreger 98, 100 wird dabei bevorzugt so eingestellt, dass der Spot 22 in einem Geschwindigkeitsbauch einer sich zwischen den
Schallwellenerregern 98, 100 einstellenden stehenden Ultraschallwelle 102 liegt. Der Spot 22 ist ein durch Strahltaille 2w0 und Rayleigh-Länge 2z0 definierter Raumbereich, in dem die Intensität des Laserlichtes 10 hoch genug ist, um LH zu "zünden" (gilt für alle Ausführungsbeispiele). Hierdurch werden die Rußpartikel 12 beim Passieren des Spots 22 des Geschwindigkeitsbauches periodisch und quer zu ihrer ursprünglichen Strömungsrichtung 72 aus dem Spot 22 heraus gedrängt und wieder hineingesogen, sodass eine Modulation der
Partikelanregung entsteht, die sich in einer Modulation des Lll-Signals abbildet. Das Lll-Signal klingt typischerweise auf einer Zeitskala im Bereich von einigen 0 bis 100 Nanosekunden nach einer Anregung ab. Eine Abschätzung der hierfür notwendigen Modulationsfrequenzen erfolgt vollkommen analog zu der oben für den Rußpartikelsensor 16 gemäß Figur 13 im Einzelnen ausgeführten Abschätzung. Mit der Schallgeschwindigkeit in Luft von etwa 340 m/s und einer Betriebsfrequenz von f=60 kHz ergibt sich eine
Wellenlänge der Ultraschallwelle von etwa 5 mm, welche in einem Schutzrohr gut realisierbar ist. Beim Passieren des Spots 22 des Geschwindigkeitsbauches, wird der Rußpartikel periodisch aus dem Fokus gedrängt, sodass eine Modulation der Partikelanregung entsteht. Hierdurch wird das Lll-Signal periodisch mit der Frequenz f moduliert und eine Detektion mit Korrelationstechniken (Lock-In, Pseudo-Random Sequence) ermöglicht. Dies erlaubt eine starke Unterdrückung von Hintergrundsignalen, wie sie durch bspw. rückgestreutes Licht von optischen Elementen im Strahlengang verursacht werden. Zusätzlich lässt sich durch Variation der Anregungsfrequenz der Schallwellenerreger 98, 100 die Lage des Geschwindigkeitsbauchs der stehenden Ultraschallwelle 102 kontrolliert verschieben, um dadurch die gewünschte Modulation des Detektionssignals zu erreichen. Der technische Vorteil dieser speziellen Lösung liegt in einer noch weiter reduzierten Abtastrate bei der Signalauswertung, was zu einer einfacheren Auswerteschaltung führt (Kosten) und in Folge zu einem niedrigeren
Stromverbrauch führt.
Denkbar ist auch eine Modulation der Phasen der Schwingungen der beiden Schallwellenerreger 98, 100 relativ zueinander (Phasenmodulation). Die zur Erzeugung der Ultraschallwelle dienenden Schallwellenerreger 98, 100 selbst können mit mindestens einem Heizelement versehen sein, um sie in
regelmäßigen Abständen aufzuheizen, sodass der sich absetzende Ruß abgebrannt wird.
Es ergibt sich ein zeitlicher Verlauf des Lll-Signals, wie es in der Figur 15 dargestellt ist und wie es für ein Rußpartikel 12 typisch ist, das sich auf einer oszillierend verlaufenden Trajektorie durch den Spot 22 bewegt. Die Hüllkurve 92 entspricht dem Lll-Signal für den Fall, dass kein akustisches Wechselfeld angelegt wird. Durch das periodische Betreten und Verlassen des Laserspots aufgrund des angelegten Wechselfeldes wird der Rußpartikel immer wieder beleuchtet und erhitzt, sodass ein periodisches Lll-Signal 94 entsteht. Auf ein solches Signal können dann Korrelationsverfahren angewandt werden um das Signal-to-Noise-Ratio (SNR) zu verbessern, wie es bereits mit Bezug auf die insofern vergleichbare Figur 12 erläutert worden ist.
Figur 18 zeigt einen Vergleich eines nicht polarisierenden Strahlteilers 234 mit einem polarisierenden Strahlteiler 134. Dabei betrifft die linke Hälfte der Figur 22 den nicht polarisierenden Strahlteiler 234, während die rechte Hälfte einen polarisierenden Strahlteiler 134 betrifft.
Der polarisierende Strahlteiler 134 zeichnet sich dadurch aus, dass er Licht je nach Polarisation verschieden stark transmittiert oder reflektiert. Für eine vorbestimmte Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes ergibt sich eine fast vollständige Transmission, und für die dazu senkrechte Polarisation des einfallenden Lichtes ergibt sich eine fast vollständige Reflexion.
Da Laserlicht 10 im Allgemeinen bereits polarisiert ist, kann es den
polarisierenden Strahlteiler 134 bei zur Polarisationsrichtung des polarisierenden Strahlteiler 134 passend gewählter Anordnung in der einen Richtung (Hinweg zum Spot 22) praktisch verlustlos passieren, während die Strahlteilerfläche 234.1 des nicht polarisierenden Strahlteilers 234 bereits bis zu 50% der mit dem Laserlicht 10 transportierten Leistung aus dem Nutzstrahlengang
herausreflektiert. Dieser Verlust wird im linken Teil der Figur 18 durch den nach links weisenden Pfeil 10' repräsentiert. Bei dem im rechten Teil der Figur 18 dargestellten Strahlteiler 134 tritt dieser Verlustanteil 10' nicht auf. Mit anderen Worten: Durch die richtige Wahl der Laserpolarisation und Ausrichtung des Lasers lässt sich die transmittierte Leistung an dieser Stelle maximieren (auf fast 100%), während man bei üblichen nichtpolarisierenden Strahlteilern 234 einen Leistungsverlust von etwa 50% bei der Transmission durch den Strahlteiler hinnehmen muss. Das Laserlicht 10 tritt durch die Strahlteilerfläche 134.1 des polarisierenden Strahlteilers 134 ohne abgeschwächt zu werden hindurch.
Das transmittierte Licht wird, wie in Bezug auf die Figuren 3 und 4 beschrieben, durch die zweite Linse 20 durch das Schutzfenster 40 hindurch zu dem Spot 22 im inneren Schutzrohr 30 fokussiert. Bei gleicher Leistung des Lasers steht bei der Verwendung des polarisierenden Strahlteilers 134 daher doppelt so viel Lichtleistung im Spot 22 zur Erhitzung von Partikeln zur Verfügung. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die maximale Intensität im Spot 22 bei ansonsten unverändertem Rußpartikelsensor 16 erhöht wird, was die zu messenden Rußpartikel 2 auf höhere Temperaturen aufheizt und damit die von den aufgeheizten Rußpartikeln 12 ausgehende Strahlungsleistung der in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 vergrößert. Als Folge ergibt sich ein verbessertes Signal-to-Noise-Ratio.
Von Rußpartikeln 12, die sich im Spot 22 befinden, ausgehende, in Richtung zur Linse emittierte Strahlung 14 wird bevorzugt über die gleiche Linse 20 erfasst und über den bevorzugt polarisierenden Strahlteiler 134 auf den Detektor 26 geleitet. Da die vom aufgeheizten Rußpartikel ausgehende Strahlung 14 keine Vorzugspolarisation aufweist, wird etwa die Hälfte der von der Linse 20 erfassten Strahlung 14 auf den Detektor 26 gerichtet. Da die Rußpartikel 12 nur unpolarisierte Strahlung 14 emittieren, bleibt lediglich ein Restverlust im
Detektionsstrahlengang übrig, der ohnehin auftreten würde. Der polarisierende Strahlteiler 134 kann bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen, also insbesondere bei allen in dieser Anmeldung beschriebenen Rußpartikelsensoren als Strahlteiler 34 verwendet werden. Analog kann ein nicht polarisierender Strahlteiler 234 bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen, also insbesondere bei allen in dieser Anmeldung beschriebenen Rußpartikelsensoren als Strahlteiler 34 verwendet werden.
Die Verwendung des polarisierenden Strahlteilers 134 hat daher gegenüber mit nicht polarisierenden Strahlteilern 234 arbeitenden Ausgestaltungen den Vorteil, dass durch die erhöhte optische Pumpleistung eine wesentlich höhere
Leistungsdichte und Temperatur T im Spot 22 erreicht werden kann und somit die darin spontan emittierte Leistung stark ansteigt (Kirchhoffsches
Strahlungsgesetz P~!T4). Auch hier gilt, dass der Rußpartikelsensor 16 bevorzugt einen optischen Filter 42 aufweist, der im Strahlengang zwischen dem
(polarisierenden) Strahlteiler 134 und dem Detektor 26 angeordnet ist und der die oben beschriebenen Eigenschaften aufweist. Mit diesem Filter 42 wird eine Abschirmung des Detektors 26 gegenüber dem Laserlicht 10 erzielt, was das Signal-to-Noise-Ratio ebenfalls verbessert.

Claims

Ansprüche 1 . Rußpartikelsensor (16) mit einem einen Laser aufweisenden Lasermodul
(18) und mit einem zur Detektion von Temperaturstrahlung (14)
eingerichteten Detektor (26), dadurch gekennzeichnet, dass der
Rußpartikelsensor (16) ein im Strahlengang des Lasers des Lasermoduls (18) angeordnetes optisches Element (20) aufweist, das dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul (18) ausgehendes Laserlicht (10) in einen Spot (22) zu bündeln, und dass der Detektor (26) im Rußpartikelsensor (16) so angeordnet ist, dass er vom Spot (22) ausgehende Strahlung (14) detektiert.
2. Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Lasermodul (18) dazu eingerichtet ist, paralleles Laserlicht (10) zu erzeugen, und dass das optische Element (20) dazu eingerichtet ist, von dem
Lasermodul (18) ausgehendes paralleles Laserlicht (10) in den Spot (22) zu bündeln. 3. Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser des Lasermoduls (18) ein CW-Laser ist.
4. Rußpartikelsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Halbleiter-Laser-Element, insbesondere eine Laserdiode (36) ist.
5. Rußpartikelsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (26) wenigstens eine Fotodiode (26.1 ) aufweist.
6. Rußpartikelsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch einen Strahlteiler (34), der im Strahlengang des parallelen Laserlichtes (10) so angeordnet ist, dass er wenigstens einen Teil des von dem Lasermodul (18) her einfallenden Laserlichtes (10) auf das optische Element (20) richtet und von dem Spot (22) her einfallende
Strahlung (14) wenigstens zu einem Teil auf den Detektor (26) richtet. Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (34) ein polarisierender Strahlteiler (134) ist, und dass der polarisierende Strahlteiler (134) so ausgerichtet ist, dass er für das einfallende, eine vorbestimmte Polarisationsrichtung aufweisende Laserlicht ( 0) maximal durchlässig ist.
Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch ein optisches Filter (42), das im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler (34) und dem Detektor (26) angeordnet ist und das für das Laserlicht (10) weniger durchlässig ist als für von dem Spot (22) ausgehende
Temperaturstrahlung (14).
Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser dazu eingerichtet ist, Laserücht (10) mit Wellenlängen unterhalb von 500 nm, insbesondere von 405 nm, 450 nm oder 465 nm zu emittieren und dass das optische Filter (42) so beschaffen ist, dass es Licht mit
Wellenlängen unterhalb von 500 nm abschwächt oder sogar blockiert.
Rußpartikelsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ersten Teil (16.1 ), der dazu eingerichtet ist, einem Messgas ausgesetzt zu werden, und einen dem Messgas nicht auszusetzenden zweiten Teil (16.2), der die optischen Komponenten des Rußpartikelsensors (16) enthält, wobei beide Teile durch eine für das Messgas undurchlässige Trennwand (16.3) getrennt sind.
Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trennwand im Strahlengang des Laserlichtes (10) ein Fenster (40) angebracht ist, das sowohl für das Laserlicht (10) als auch für vom Spot (22) ausgehende Strahlung (14) durchlässig ist.
Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass er eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr (28) und einem inneren Schutzrohr (30) aufweist, die beide eine allgemeine Zylinderform oder Prismenform besitzen, dass die Schutzrohre koaxial angeordnet sind, wobei die Achsen der Zylinder- oder Prismenformen parallel zur
Einstrahlrichtung des Laserlichtes (10) ausgerichtet sind und der Spot (2) im Inneren des inneren Schutzrohrs (30) liegt, dass das äußere Schutzrohr (28) an seinem dem Laser zugewandten Ende über das innere Schutzrohr (30) hinausragt und dass das innere Schutzrohr (28) an dem entgegengesetzten Ende über das äußere Schutzrohr (30) hinausragt.
13. Rußpartikelsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Rußpartikelsensor (16) ein Shakermodul (68) aufweist, das ein oszillierend bewegliches Element aufweist, das mechanisch starr mit dem Lasermodul (18) verbunden ist, so dass sich eine Oszillation des beweglichen Teils des Shakermoduls (68) auf das
Lasermodul (18) überträgt.
14. Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Shakermodul (68) einen das bewegliche Element aufweisenden Piezo- Aktor aufweist oder einen das bewegliche Element aufweisenden
elektromagnetischen Aktor oder einen das bewegliche Element
aufweisenden mit Magnetostriktion arbeitenden Aktor aufweist.
15. Rußpartikelsensor (16) nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch
gekennzeichnet, dass der Rußpartikelsensor (16) ein Paar von Elektroden (84, 86) aufweist, die im Rußpartikelsensor (16) auf verschiedenen Seiten des Spots (22) angeordnet sind.
16. Rußpartikelsensor (16) nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch
gekennzeichnet, dass der Rußpartikelsensor (16) ein Paar von
Schallwellenerregern (98, 100) aufweist, das im Inneren des inneren Schutzrohrs (30) angeordnet ist.
17. Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwellenerreger (98, 100) elektrische Transducer sind, die auf Piezo- oder Magnetostriktions-Basis arbeiten oder elektromagnetisch betätigt werden und eine stehende Ultraschallwelle erzeugen.
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