EP3762704A1 - Mit laser induzierter inkandeszenz arbeitender partikelsensor mit einer konfokalen anordnung eines laserspots und eines temperaturstrahlungsspots - Google Patents

Mit laser induzierter inkandeszenz arbeitender partikelsensor mit einer konfokalen anordnung eines laserspots und eines temperaturstrahlungsspots

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EP3762704A1
EP3762704A1 EP19706485.0A EP19706485A EP3762704A1 EP 3762704 A1 EP3762704 A1 EP 3762704A1 EP 19706485 A EP19706485 A EP 19706485A EP 3762704 A1 EP3762704 A1 EP 3762704A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spot
particle sensor
beam splitter
laser
radiation
Prior art date
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Pending
Application number
EP19706485.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Wichmann
Jens Ehlermann
Radoslav Rusanov
Tobias Werner
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
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Pending legal-status Critical Current

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    • G01N2021/8557—Special shaping of flow, e.g. using a by-pass line, jet flow, curtain flow

Definitions

  • Laser induced incandescence particle sensor with confocal laser spot and temperature beam spot Laser induced incandescence particle sensor with confocal laser spot and temperature beam spot
  • the present invention relates to a particle sensor according to the preamble of claim 1.
  • a particle sensor comprises a laser module having a laser module and a detector configured for the detection of temperature radiation.
  • nanoparticles in air is known from articles B.F. Kock, Two-color time-resolved LII applied to soot particle sizing, Combustion and flame, 2006, as well as S. Schraml, Application of a new soot sensor for exhaust, SAE TECHNICAL PAPER SERIES, 2000, and is known e.g. For the characterization of the combustion process in "glassy" engines in the laboratory or for the exhaust gas characterization intensively applied. The resulting soot particles during combustion are given a nanosecond pulse of
  • High-power laser heated to several thousand degrees Celsius and measured the thermal light emission of the particle with a light detector.
  • the method allows the detection of very small particles with a diameter of a few 10 nm.
  • Example of a photodiode is detectable. Disclosure of the invention
  • the present invention provides that the particle sensor has the characteristic features.
  • the above-mentioned particle sensor has an optical device which is adapted to focus outgoing laser light from the laser module in a first spot and which is adapted to focus emanating from the first spot temperature radiation in a second spot, wherein a radiation-sensitive surface of the detector in the second spot or in the beam path of the focused on the second spot temperature radiation is behind the second spot.
  • the invention is based on the finding that in the detection of measurement signals of a laser-Induced Incandescence, which is generated in the exhaust system of motor vehicles, stray light may occur due to the thermal radiation of the hot environment in the vicinity of the spot (hot exhaust pipe, hotter Sensor head) are conditional. Although the absolute conduction of the stray light on the detector can be very low with some N, it may cause a detector signal that is orders of magnitude stronger than the actual particle to be measured whose measuring signal can be in the Po range. Furthermore, there is a problem in the determination of a particle size distribution on the basis of the detected measurement signals, which are generated by particles that traverse the spot in its edge region. Due to the lower power density of the first spot, there is a lower temperature there than for particles that pass through the center of the first spot. This results in weaker Lll signals that can be easily confused with the Lll signals of smaller signals. Per se are therefore signals of particles on
  • the invention solves these problems ultimately by a confocal
  • Detection method for the detection of particles Due to this confocal detection method, only temperature radiation directs the light from a sharply delimited spatial area, namely from the first spot or a part of the first spot onto the detector, and temperature radiation originating outside of this sharply delimited spatial area does not reach the radiation-sensitive detector surface. These features can reduce the influence of portions of the temperature radiation that are not directly from the first spot, or better, from the center of the first spot, on the signal generated by the detector.
  • the invention thus combines the method of confocal detection with the optical detection of soot particles in the exhaust system by means of laser-induced incandescence. With the help of this combination succeeds, the thermal
  • a preferred embodiment is characterized in that the optical device comprises a beam splitter and a first focusing optical element, wherein the beam splitter is arranged in the beam path of the laser light between the laser module and the first focusing optical element.
  • the first focusing optical element is set up to direct temperature radiation emanating from the first spot onto the beam splitter and that the detector is arranged in a beam path of the temperature radiation emanating from the beam splitter.
  • the same optical elements can partly be used for the beam path leading from the laser module to the first spot and for the beam path leading from the first spot to the second spot.
  • the first spot lies in a first focal point of the first focusing optical element and that the second spot lies in a second focal point of the first focusing optical element.
  • This embodiment has the advantage of requiring only a few optical elements.
  • a further preferred refinement is characterized in that the optical device has a second focusing optical element, wherein the second focusing optical element is arranged in a beam path of the temperature radiation emanating from the beam splitter and is arranged to emit temperature radiation incident from the beam splitter into the second Spot to focus. This embodiment opens in particular more constructive degrees of freedom in the design of the optical system.
  • a wavelength-selective optical filter between the beam splitter and the second focusing optical element is arranged in the beam path of the radiation emitted by the beam splitter, which is less transparent to the laser light than for emanating from the spot temperature radiation.
  • the radiation-sensitive surface of the detector in the beam path of the focused on the second spot temperature radiation is behind the second spot, the second spot is located in the opening of a pinhole, which is arranged in the beam path of the temperature radiation between the beam splitter and the detector.
  • Aperture opening next to the pinhole opening on the opaque part of the pinhole is
  • a further preferred embodiment is characterized in that between the pinhole and the detector, a third optical element in the beam path of the temperature radiation is arranged, which of the
  • the optical device has a further optical element which is arranged in the beam path of the laser light between the laser module and the beam splitter and is adapted to parallelize outgoing laser light from the laser module and to direct it to the beam splitter.
  • a parallelization is here understood to mean a reduction of the opening angle of a bundle of light beams or a bundle of beams, wherein the
  • Parallelization does not necessarily have to be complete (zero opening angle).
  • the parallelization reduces the beam cross section of the on the
  • Beam splitter incident laser light which leads to one that the beam splitter may be smaller than it would be without previous parallelization.
  • the laser is a semiconductor laser element, in particular a laser diode.
  • This embodiment has the advantage that inexpensive and robust laser diodes are available on the market.
  • the beam splitter is a polarizing beam splitter, and that the polarizing beam splitter is oriented so that it is maximally transparent to the incident, a predetermined polarization direction having laser light.
  • Laser light often occurs in polarized form. Due to the polarizing beam splitter and its alignment suitable for the polarization of the laser light, the laser light can be used to a large extent for signal generation.
  • laser light 10 Since laser light 10 is generally already polarized, it can be
  • polarizing beam splitter at the direction of polarization of the polarizing beam splitter suitably chosen arrangement in one direction (way to the first spot 22) pass virtually lossless.
  • the transmitted power at that location can be maximized (to nearly 100%) while one has to accept a power loss of about 50% in the transmission through the beam splitter in conventional non-polarizing beam splitters.
  • the laser is adapted to emit laser light having wavelengths below 500 nm, in particular 405 nm, 450 nm or 465 nm, and that the optical filter is designed to attenuate light having wavelengths below 500 nm or even blocked.
  • a further preferred embodiment is characterized in that the particle sensor has a first part, which is adapted to be exposed to a measurement gas, and which has a second part, which is adapted not to be exposed to the measurement gas and the optical Contains components of the particle sensor, wherein both parts are separated by a gas-impermeable partition wall.
  • the optical components can be arranged separately from the sample gas stream, so that the sensor can also be used for measuring particle concentrations in hot and chemically aggressive sample gases, such as exhaust gases of internal combustion engines.
  • a window is mounted, which is permeable to both the laser light and emanating from the spot radiation.
  • the particle sensor has an arrangement of an outer protective tube and an inner protective tube, both of which have a general cylindrical shape or prism shape, that the protective tubes are arranged coaxially, wherein the axes of the cylinder or prisms form parallel to the direction of irradiation of the laser light are aligned and the spot lies inside the inner protective tube, that the outer protective tube 28 protrudes beyond the inner protective tube 30 at its laser-facing end and that the inner protective tube 30 protrudes beyond the outer protective tube 28 at the opposite end.
  • the particle sensor according to the invention can be used as a soot particle sensor for the measurement of soot particle concentrations-masses and velocities in the exhaust gas of internal combustion engines. But it can also be used to measure other particle concentrations in a gas, for example to measure particulate matter in indoor air or outdoors.
  • Fig. 1 is a laser-induced incandescence-based measuring principle used in the invention
  • FIG. 2 shows a basic structure of a laser induced incandescence particle sensor
  • Fig. 3 shows a first embodiment of an inventive
  • FIG. 4 shows an embodiment of an optical part of a particle sensor according to the invention, which operates with non-parallel beam paths;
  • Figure 5 shows an embodiment of an optical part of a particle sensor according to the invention, which operates with parallel beam paths;
  • Figure 6 shows another embodiment of an optical part of a particle sensor according to the invention, with non-parallel
  • Figure 7 shows another embodiment of an optical part of a
  • Particle sensor with arranged between a second spot and a detector optical elements
  • Figure 8 shows another embodiment in which a detector and a
  • FIG. 1 illustrates the measuring principle based on laser-induced incandescence (LII).
  • Laser light 10 of high intensity strikes a particle 12.
  • the intensity of the laser light 10 is so high that the energy absorbed by the particle 12 of the laser light 10 heats the particle 12 to several thousand degrees Celsius. As a result of the heating, the particle 12 emits spontaneously and in the
  • the particle sensor 16 here has a CW laser module 18 (CW: continuous wave, continuous wave) whose preferably parallel laser light 10 with at least one arranged in the beam path of the CW laser module 18 first focusing optical Element 20 is focused on a very small first spot 22.
  • the first focusing optical element 20 is preferably a first lens 24. Only in the volume of the first spot 22 does the intensity of the laser light 10 reach the high values necessary for LII.
  • 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 first spot 22 are in the range of a few pm, in particular in the range of at most 200 pm, so that the particles 12 passing through the first spot 22 are excited to emit evaluable radiation powers, be it by laser-induced incandescence or by chemical reactions (especially oxidation).
  • the measurement signal is generated by a detector 26 which is arranged in the particle sensor 16 so that it detects radiation 14, in particular temperature radiation, which emanates from a particle 12, which passes through the first spot 22.
  • the detector 26 preferably has at least one photodiode 26.1
  • 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 low-cost semiconductor laser elements (laser diodes), which reduces the cost of the entire particle sensor 16 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 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 particle sensor 16 has a first part 16. 1, which is set up to be exposed to a measurement gas, and has a second part 16. 2, which contains the optical components of the particle sensor 16 and is not exposed to the measurement gas. Both parts are separated by a measuring gas impermeable partition 16.3. In the dividing wall, a window 34 is mounted in the beam path of the laser light 10, which is permeable to both the laser light 10 and radiation emanating from the first spot 22.
  • the first part 16. 1 of the 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
  • 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 over the outer protective tube 28 out into the flowing exhaust 32.
  • the outer protective tube 28 protrudes beyond the inner protective tube 30.
  • 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 flow cross section.
  • Flow cross-section in the arrangement of the two protective tubes 28, 30 enters, then at the end of the protective tubes 28, 30 facing away from the exhaust gas 32, changes its direction, enters the inner protective tube 30 and is sucked out of it by the flowing exhaust gas 32. This results in the inner protective tube 30, a laminar flow.
  • This arrangement of protective tubes 28, 30 is attached to the particle sensor 16 transversely to the exhaust gas flow, or in an exhaust pipe.
  • Such a first part 16.1 of a particle sensor is a component of a preferred embodiment. Its features are not essential to the invention features. The features essential to the invention are part of the second part 16.2 of the particle sensor 16.
  • the second part 16. 2 has a laser module 18, an optical device 36 and a detector 26.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of the optical device 36 together with the laser module 18 and the detector 26, that is to say an embodiment of the second part 16. 2 of the particle sensor 16.
  • the optical device 36 has in particular a beam splitter 38 and a first focusing optical element 20.
  • the laser light 10 of the laser module 18 is focused into the first spot 22 via the beam splitter 38, which may be, for example, a dichroic mirror or a beam splitter cube, and a first focusing optical element 20.
  • the first focusing optical element 20 is preferably a lens 24.
  • a particle 12 flying through the first spot is heated by the laser light and emits temperature radiation as a result.
  • the particle 12 may be considered a point source of light due to its small size.
  • the first spot 22 lies inside the inner protective tube 30. In this first spot 22, the laser 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 particles 12 significantly absorb radiation 14 in FIG Form of
  • 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.
  • Radiation 14 is incident on the first focusing optical element 20 and propagates via the beam splitter 38 to the detector 26, this part being focused by the first focusing optical element 20 onto a second spot 40.
  • the second spot 40 is located in a focal point of the first focusing optical element 20, or vice versa, the focus is in the second spot 40. Detached from the special
  • Embodiment of Figure 4 is that the second spot 40 in a
  • Focus of the optical device 36 is or vice versa
  • Focus of the optical device 36 in the second spot 40 is located.
  • the detector 26 is arranged in the beam path of the beam 14 emanating from the beam splitter 38 so that its radiation-sensitive surface is located in the second spot 40 or in the beam path of the focused on the second spot 40 radiation 14 behind the second spot 40.
  • the detector 26 is located behind the second spot 40 in the beam path of the radiation 14.
  • the second spot 40 is shown in FIG.
  • Embodiment on the opening of a pinhole 42, so that the detector 26 registers only radiation 14, which falls through the opening on its radiation-sensitive surface.
  • Aperture opening is directed. This temperature radiation can the
  • the beam splitter 38 causes in the optical device 36, the particularly important advantage that only an optical access to the exhaust gas 32 is required because the same optics, in particular the same first focusing optical element 20 for the production of the first spot 22 and for detecting the used by the particle 12 outgoing radiation 14 is used.
  • the exhaust gas 32 is an example of a measurement gas.
  • the sample gas can also be another gas or gas mixture, for example room air.
  • Figure 5 shows a second embodiment of the second part 16.2 of
  • the second embodiment differs from the first embodiment initially in that the optical device 36 illuminates the beam splitter 38 with collided laser light 10. In this case
  • the optical device 36 a further optical element 44 which in the beam path of the laser light 10 between the
  • Laser module 18 and the beam splitter 38 is arranged and is adapted to parallel outgoing from the laser module 18 laser light 10 and directed to the beam splitter 38.
  • the further optical element 44 is preferably a lens 46.
  • the laser light 10 emanating from the laser module 18 is parallelized with the further optical element 44 and propagates through the beam splitter 38 to the first focusing optical element 20.
  • the first focusing optical element 20 focuses the laser light 10 into the first spot 22.
  • the heated particle In the first spot 22 outgoing radiation 14 is also directed here via the beam splitter 38 in the beam path leading to the detector 26.
  • the optical device 36 has in this embodiment, a second focusing optical element 48 which is arranged in an emanating from the beam splitter 38 beam path of the radiation 14 and is adapted to incident from the beam splitter 38 forth radiation 14 in to focus the second spot 40.
  • the second focusing optical element 48 is preferably a lens 50.
  • a wavelength-selective optical filter 52 may be arranged, which for the
  • FIG. 6 shows a further embodiment of one with not completely parallelized
  • This further embodiment has an optical device 36 which operates with a not completely parallel aligned beam path.
  • the further optical element 44 which is arranged between the laser module 18 and the beam splitter 38, reduces the aperture angle of the laser light 10 without aligning the laser light completely parallel thereto.
  • focussing optical element 20 focuses laser light 10 emanating from the beam splitter 38 into the first spot 22 and is directed from the first spot 22 incident radiation 14 on the beam splitter 38. It reduces the
  • the beam splitter 38 directs incident radiation 14 from the first focusing optical element 20 onto the second focusing optical element 48.
  • the second focusing optical element 48 introduces the temperature radiation incident from the beam splitter 38 into the second spot 40.
  • FIG. 7 shows, as already shown in FIG. 4, an exemplary embodiment of a second part 16.2 of a particle sensor 16 which operates with beam paths that are not completely parallelized.
  • a third optical element 53 in the beam path behind the second spot 40, ie between the pinhole and the detector 26, a third optical element 53 in the beam path of the radiation 14.
  • a fourth optical element 54 is arranged which focuses the radiation 14 incident from the third optical element 53 on the detector 26.
  • the two optical elements 53 and 54 are preferably realized as lenses.
  • the third optical element 53 re-parallelizes the radiation 14 emanating from the second spot 40, while the fourth optical element 54 finally focuses the radiation 14 onto the detector 26, which is now arranged a total of some distance behind the aperture plate.
  • optical device can be constructed with only one, with two or also with more than two focusing optical elements such as lenses or mirrors.
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment. This embodiment corresponds largely with respect to its parallel beam path
  • Embodiments is that the second spot 40 is not limited here by a pinhole. Instead, the detector 26 is arranged directly in the second spot 40, or arranged so that the second spot 40 is located on the radiation-sensitive detector surface and is limited by this. In this case, the radiation-sensitive detector surface has the function of the pinhole. Temperature radiation that is not sensitive to this radiation Detector surface falls, does not contribute to the measurement signal and is spatially filtered out in this way. For efficient signal filtering, the
  • Laser module 18 and detector 26 are reversed.
  • the beam splitter 38, or the dichroic mirror, must then correspondingly have a reverse functionality. He should then have full reflection for the exciting laser light 10 and full transmission for the Lll signal forming temperature radiation.

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Abstract

Vorgestellt wird ein Partikelsensor (16) mit einem einen Laser aufweisenden Lasermodul (18) und mit einem zur Detektion von Temperaturstrahlung (14) eingerichteten Detektor (26). Der Partikelsensor (16) zeichnet sich dadurch aus, dass er eine optische Vorrichtung (36) aufweist, die dazu eingerichtet ist, vom Lasermodul (18) ausgehendes Laserlicht in einen ersten Spot (22) zu fokussieren und die dazu eingerichtet ist, vom ersten Spot (22) ausgehende Temperaturstrahlung (14) in einen zweiten Spot zu fokussieren, wobei eine strahlungsempfindliche Fläche des Detektors (26) in dem zweiten Spot oder im Strahlengang der auf den zweiten Spot fokussierten Temperaturstrahlung (14) hinter dem zweiten Spot liegt.

Description

Beschreibung
Titel
Mit Laser induzierter Inkandeszenz arbeitender Partikelsensor mit einer konfokalen Anordnung eines Laserspots und eines Temperaturstrahlunqsspots
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.Ein solcher Partikelsensor weist ein einen Laser aufweisendes Lasermodul und einen zur Detektion von Temperaturstrahlung eingerichteten Detektor auf.
Das Prinzip der Laser-Induzierten Inkandeszenz (LI I) zur Detektion von
Nanopartikeln in Luft ist zum Beispiel aus den Artikeln B.F. Kock, Two-color time- resolved LII applied to soot particle sizing, Combustion and flame, 2006, sowie S.Schraml, Application of a new soot sensor for exhaust, SAE TECHNICAL PAPER SERIES, 2000 bekannt und wird z.B. für die Charakterisierung des Verbrennungsprozesses in„gläsernen“ Motoren im Labor oder für die Abgas- Charakterisierung intensiv angewandt. Dabei werden die bei der Verbrennung entstehenden Rußpartikel mit einem Nanosekunden-Puls eines
Hochleistungslasers auf mehrere tausend Grad Celsius erhitzt und die thermische Lichtemission des Partikels mit einem Lichtdetektor gemessen. Die Methode erlaubt die Detektion von sehr kleinen Partikeln mit einem Durchmesser von wenigen 10 nm.
Es ist denkbar, dieses Prinzip auf die Detektion von Rußpartikeln im Abgasstrang von Dieselmotoren oder Benzinmotoren von Kraftfahrzeugen zu erweitern. Dabei wird eine kostengünstige Laserdiode im kontinuierlichen Betrieb (CW) benutzt, um Rußpartikel im Fokus des Laserstrahls so stark zu erhitzen, dass dieser ein deutliches thermisches Leuchtsignal abgibt, das mit einem Detektor, zum
Beispiel einer Fotodiode, detektierbar ist. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht in diesem Zusammenhang vor, dass der Partikelsensor die kennzeichnen Merkmale aufweist. Der eingangs genannte Partikelsensor weist eine optische Vorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, vom Lasermodul ausgehendes Laserlicht in einen ersten Spot zu fokussieren und die dazu eingerichtet ist, vom ersten Spot ausgehende Temperaturstrahlung in einen zweiten Spot zu fokussieren, wobei eine strahlungsempfindliche Fläche des Detektors in dem zweiten Spot oder im Strahlengang der auf den zweiten Spot fokussierten Temperaturstrahlung hinter dem zweiten Spot liegt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei der Erfassung von Messsignalen einer Laser-Induzierten Inkandeszenz, die im Abgasstrang von Kraftfahrzeugen erzeugt wird, Störlicht auftreten kann, das durch die thermische Strahlung der heißen Umgebung in der Nähe des Spots (heißes Abgasrohr, heißer Sensorkopf) bedingt sind. Die absolute Leitung des Störlichtes auf dem Detektor kann zwar mit einigen N sehr gering sein, verursacht aber unter Umständen ein um Größenordnungen stärkeres Detektorsignal als der eigentliche zu messende Partikel, dessen Messsignal im Po Bereich liegen kann. Weiterhin besteht ein Problem bei der Ermittlung einer Partikelgrößenverteilung auf der Basis der erfassten Messsignale, die von Partikeln erzeugt werden, die den Spot in dessen Randbereich durchqueren. Aufgrund der dort geringeren Leistungsdichte des ersten Spots ergibt sich dort eine geringere Temperatur als für Partikel, die das Zentrum des ersten Spots durchqueren. Daraus resultieren schwächere Lll-Signale, die leicht mit den Lll-Signalen kleinerer Signale verwechselte werden können. Per se sind also Signale von Partikeln am
Fokusrand unerwünscht, da diese zu einer Falschwertung führen.
Die Erfindung löst diese Probleme letztlich durch eine konfokale
Detektionsmethode für die Detektion von Partikeln. Durch diese konfokale Detektionsmethode wird gezielt nur Temperaturstrahlung das Licht aus einem scharf begrenzten Raumbereich, nämlich aus dem ersten Spot oder einem Teil des ersten Spots auf den Detektor gerichtet, und aus außerhalb dieses scharf begrenzten Raumbereichs stammende Temperaturstrahlung gelangt nicht auf die strahlungsempfindliche Detektorfläche. Durch diese Merkmale kann der Einfluss von Anteilen an der Temperaturstrahlung, die nicht unmittelbar aus dem ersten Spot oder besser, aus dem Zentrum des ersten Spots stammen, auf das vom Detektor erzeugte Signal verringert werden.
Die Erfindung verbindet damit die Methode der konfokalen Detektion mit der optischen Detektion von Rußpartikeln im Abgasstrang mittels Laser-Induzierter- Inkandeszenz. Mit Hilfe dieser Kombination gelingt es, das thermische
Störsignal, welches von der heißen Umgebung stammt, fast vollständig zu unterdrücken und damit das Signal-zu Rausch-Verhältnis signifikant zu erhöhen, so dass die Detektion der sehr leistungsschwachen Lll-Signale erleichtert wird. Weiterhin führt diese Methode zu einer Reduktion von Falschsignalen, da lediglich Lll-Signale den Detektor erreichen, welche von Partikeln in unmittelbarer Umgebung des Fokus stammen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die optische Vorrichtung einen Strahlteiler und ein erstes fokussierendes optisches Element aufweist, wobei der Strahlteiler im Strahlengang des Laserlichtes zwischen dem Lasermodul und dem ersten fokussierenden optischen Element angeordnet ist.
Bevorzugt ist auch, dass das erste fokussierende optische Element dazu eingerichtet ist, vom ersten Spot ausgehende Temperaturstrahlung auf den Strahlteiler zu richten und dass der Detektor in einem von dem Strahlteiler ausgehenden Strahlengang der Temperaturstrahlung angeordnet ist.
Durch den Strahlteiler können für den vom Lasermodul aus zum ersten Spot führenden Strahlengang und für den vom ersten Spot zum zweiten Spot führenden Strahlengang zum Teil dieselben optischen Elemente verwendet werden.
Weiter ist bevorzugt, dass der erste Spot in einem ersten Brennpunkt des ersten fokussierenden optischen Elements liegt und dass der zweite Spot in einem zweiten Brennpunkt des ersten fokussierenden optischen Elements liegt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, nur wenige optische Elemente zu benötigen. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die optische Vorrichtung ein zweites fokussierendes optisches Element aufweist, wobei das zweite fokussierende optische Element in einem von dem Strahlteiler ausgehenden Strahlengang der Temperaturstrahlung angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, vom Strahlteiler her einfallende Temperaturstrahlung in den zweiten Spot zu fokussieren. Diese Ausgestaltung eröffnet insbesondere mehr konstruktive Freiheitsgrade beim Entwurf des optischen Systems.
Bevorzugt ist auch, dass im Strahlengang der von dem Strahlteiler ausgehenden Temperaturstrahlung ein wellenlängenselektives optisches Filter zwischen dem Strahlteiler und dem zweiten fokussierenden optischen Element angeordnet ist, das für das Laserlicht weniger durchlässig ist als für von dem Spot ausgehende Temperaturstrahlung. Durch dieses Merkmal kann Laserlicht, das aufgrund unerwünschter Reflexionen und/oder Brechungen daran gehindert werden, ausgefiltert werden, bevor es auf den auf den Detektor fällt. Als Folge ergibt sich eine erwünschte Verbesserung des Signal zu Rausch Verhältnisses und damit eine höhere Messempfindlichkeit und Messgenauigkeit.
Weiter ist bevorzugt, dass bei einer Ausgestaltung, bei der die
strahlungsempfindliche Fläche des Detektors im Strahlengang der auf den zweiten Spot fokussierten Temperaturstrahlung hinter dem zweiten Spot liegt, der zweite Spot in der Öffnung einer Lochblende liegt, die im Strahlengang der Temperaturstrahlung zwischen dem Strahlteiler und dem Detektor angeordnet ist. Durch eine solche Lochblende können Strahlungsbestandteile, die nicht unmittelbar aus dem ersten Spot stammen, sondern aus Punkten stammen, die geringfügig vor oder hinter dem ersten Spot oder rechts oder links vom ersten Spot oder über oder unter dem ersten Spot liegen, vom Detektor ferngehalten werden. Diese Strahlungsbestandteile liegen in der Ebene der
Lochblendenöffnung neben der Lochblendenöffnung auf dem undurchsichtigen Teil der Lochblende.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der Lochblende und dem Detektor ein drittes optisches Element im Strahlengang der Temperaturstrahlung angeordnet ist, das von der
Lochblendenöffnung ausgehende Temperaturstrahlung parallelisiert, und dass im weiteren Strahlengang der Temperaturstrahlung ein viertes optisches Element angeordnet ist, das die vom dritten optischen Element parallelisierte
Temperaturstrahlung auf den Detektor fokussiert. Durch diese Merkmale ergibt sich insbesondere die Möglichkeit einer Verlängerung und Richtungsänderung des optischen Pfades zwischen dem Strahlteiler und dem Detektor was konstruktive Freiheitsgrade beim Entwurf des Partikelsensors eröffnet.
Bevorzugt ist auch, dass die optische Vorrichtung ein weiteres optisches Element aufweist, das im Strahlengang des Laserlichtes zwischen dem Lasermodul und dem Strahlteiler angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul ausgehendes Laserlicht zu parallelisieren und auf den Strahlteiler zu richten. Unter einer Parallelisierung wird hier eine Verkleinerung des Öffnungswinkels eines Lichtbündels- oder eines Strahlungsbündels verstanden, wobei die
Parallelisierung nicht zwangsläufig vollständig (Öffnungswinkel Null) führen muss. Die Parallelisierung verkleinert den Strahlquerschnitt des auf den
Strahlteiler einfallenden Laserlichtes, was eine dazu führt, dass der Strahlteiler kleiner sein kann als er ohne vorhergehende Parallelisierung sein würde.
Weiter ist bevorzugt, dass der Laser ein Halbleiter-Laser-Element, insbesondere eine Laserdiode ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass kostengünstige und robuste Laserdioden auf dem Markt erhältlich sind.
Bevorzugt ist auch, dass der Strahlteiler ein polarisierender Strahlteiler ist, und dass der polarisierende Strahlteiler so ausgerichtet ist, dass er für das einfallende, eine vorbestimmte Polarisationsrichtung aufweisende Laserlicht maximal durchlässig ist. Laserlicht tritt häufig in polarisierter Form auf. Durch den polarisierenden Strahlteiler und seine zur Polarisation des Laserlichtes passende Ausrichtung kann das Laserlicht zu einem großen Teil zur Signalerzeugung verwendet werden.
Da Laserlicht 10 im Allgemeinen bereits polarisiert ist, kann es den
polarisierenden Strahlteiler bei zur Polarisationsrichtung des polarisierenden Strahlteilers passend gewählter Anordnung in der einen Richtung (Hinweg zum ersten Spot 22) praktisch verlustlos passieren. 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 einen Leistungsverlust von etwa 50% bei der Transmission durch den Strahlteiler hinnehmen muss.
Weiter ist bevorzugt, dass der Laser dazu eingerichtet ist, Laserlicht mit Wellenlängen unterhalb von 500 nm, insbesondere 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. Durch diese Merkmale ergibt sich eine Verbesserung des Signal zu Rausch Verhältnisses im Vergleich zu Ausgestaltungen, die einen solchen Filter nicht aufweisen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Partikelsensor einen ersten Teil aufweist, der dazu eingerichtet ist, einem Messgas ausgesetzt zu werden, und der einen zweiten Teil aufweist, der dazu eingerichtet ist, dem Messgas nicht ausgesetzt zu werden und der die optischen Komponenten des Partikelsensors enthält, wobei beide Teile durch eine für das Messgas undurchlässige Trennwand getrennt sind. Dadurch können die optischen Komponenten von dem Messgasstrom getrennt angeordnet sein, so dass der Sensor auch für die Messung von Partikelkonzentrationen in heißen und chemisch aggressiven Messgasen wie Abgasen von Verbrennungsmotoren verwendbar ist.
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 ausgehende Strahlung durchlässig ist.
Weiter ist bevorzugt, dass der Partikelsensor eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr und einem inneren Schutzrohr aufweist, die beide eine allgemeine Zylinderform oder Prismen form besitzen, dass die Schutzrohre koaxial angeordnet sind, wobei die Achsen der Zylinder- oder Prismen formen parallel zur Einstrahlrichtung des Laserlichtes ausgerichtet sind und der Spot im Inneren des inneren Schutzrohrs liegt, dass das äußere Schutzrohr 28 an seinem dem Laser zugewandten Ende über das innere Schutzrohr 30 hinausragt und dass das innere Schutzrohr 30 an dem entgegengesetzten Ende über das äußere Schutzrohr 28 hinausragt. Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der
Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Der erfindungsgemäße Partikelsensor kann als Rußpartikelsensor für die Messung von Rußpartikel-konzentrationen -massen und -geschwindigkeiten im Abgas von Verbrennungsmotoren verwendet werden. Er kann aber auch zur Messung anderer Partikelkonzentrationen in einem Gas verwendet werden, zum Beispiel zur Messung von Feinstaub in der Raumluft oder auch im Freien.
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 mit Laser induzierter Inkandeszenz arbeitenden Partikelsensors;
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Partikelsensors;
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Teils eines erfindungsgemäßen Partikelsensors, das mit nicht parallelen Strahlengängen arbeitet;
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Teils eines erfindungsgemäßen Partikelsensors, das mit parallelen Strahlengängen arbeitet; Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Teils eines erfindungsgemäßen Partikelsensors, das mit nicht parallelen
Strahlengängen arbeitet,
Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Teils eines
Partikelsensors, mit zwischen einem zweiten Spot und einem Detektor angeordneten optischen Elementen; und
Figur 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem ein Detektor auch eine
Lochblendenfunktion erfüllt.
Figur 1 veranschaulicht das auf der Laser Induzierten Inkandeszenz (LII) basierende Messprinzip. Laserlicht 10 hoher Intensität trifft auf ein Partikel 12.
Die Intensität des Laserlichts 10 ist so hoch, dass die vom Partikel 12 absorbierte Energie des Laserlichtes 10 das Partikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt. Als Folge der Erhitzung emittiert das Partikel 12 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 Partikelsensors 16. Der Partikelsensor 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 ersten fokussierenden optischen Element 20 auf einen sehr kleinen ersten Spot 22 fokussiert wird. Das erste fokussierende optische Element 20 ist bevorzugt eine erste Linse 24. Nur im Volumen des ersten Spots 22 erreicht die Intensität des Laserlichts 10 die für LII 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 ersten Spots 22 liegen im Bereich einiger pm, insbesondere im Bereich von höchstens 200 pm, sodass den ersten Spot 22 durchquerende Partikel 12 zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen angeregt werden, sei es durch laserinduzierte Inkandeszenz oder durch chemische Reaktionen (insbesondere Oxidation). Als Folge kann davon ausgegangen werden, dass sich stets höchstens ein Partikel 12 in dem ersten Spot 22 befindet und dass ein momentanes Messsignal des Partikelsensors 16 nur von diesem höchstens einen Partikel 12 stammt. Das Messsignal wird von einem Detektor 26 erzeugt, der im Partikelsensor 16 so angeordnet ist, dass er Strahlung 14, insbesondere Temperaturstrahlung, detektiert, die von einem Partikel 12 ausgeht, das den ersten Spot 22 durchfliegt. Der Detektor 26 weist dazu bevorzugt wenigstens eine Fotodiode 26.1 auf
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 Partikelsensor 16 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 Partikelsensors 16, der sich für den Einsatz als Rußpartikelsensor im Abgas eines Verbrennungsprozesses eignet.
Der Partikelsensor 16 weist einen ersten Teil 16.1 auf, der dazu eingerichtet ist, einem Messgas ausgesetzt zu werden, und er weist einen dem Messgas nicht auszusetzenden zweiten Teil 16.2 auf, der die optischen Komponenten des Partikelsensors 16 enthält. Beide Teile sind durch eine für das Messgas undurchlässige Trennwand 16.3 getrennt. In der Trennwand ist im Strahlengang des Laserlichtes 10 ein Fenster 34 angebracht, das sowohl für das Laserlicht 10 als auch für vom ersten Spot 22 ausgehende Strahlung durchlässig ist.
Der erste Teil 16.1 des Partikelsensors 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 Partikelsensor 16 quer zur Abgasströmung an, bzw. in einem Abgasrohr befestigt. Ein solcher erster Teil 16.1 eines Partikelsensors ist ein Bestandteil eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Seine Merkmale sind aber keine erfindungswesentlichen Merkmale. Die erfindungswesentlichen Merkmale sind Bestandteil des zweiten Teils 16.2 des Partikelsensors 16.
Der zweite Teil 16.2 weist ein Lasermodul 18, eine optische Vorrichtung 36 und einen Detektor 26 auf.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der optischen Vorrichtung 36 zusammen mit dem Lasermodul 18 und dem Detektor 26, also ein Ausführungsbeispiel des zweiten Teils 16.2 des Partikelsensors 16. Die optische Vorrichtung 36 weist insbesondere einen Strahlteiler 38 und ein erstes fokussierendes optisches Element 20 auf. Das Laserlicht 10 des Lasermoduls 18 wird über den Strahlteiler 38, der zum Beispiel ein dichroitischer Spiegel oder ein Strahlteilerwürfel sein kann, und ein erstes fokussierendes optisches Element 20 in den ersten Spot 22 fokussiert. Das erste fokussierende optische Element 20 ist bevorzugt eine Linse 24. Ein durch den ersten Spot fliegendes Partikel 12 wird durch das Laserlicht erhitzt und emittiert in der Folge Temperaturstrahlung. Der Partikel 12 kann aufgrund seiner geringen Größe als Punktlichtquelle angesehen werden. Der erste Spot 22 liegt im Inneren des inneren Schutzrohrs 30. In diesem ersten Spot 22 ist die Laserlichtintensität hoch genug, um die mit dem Abgas 32 transportierten Rußpartikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius zu erhitzen, so dass die erhitzten Partikel 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 fällt auf das erste fokussierende optische Element 20 und propagiert über den Strahlteiler 38 zum Detektor 26, wobei dieser Teil durch das erste fokussierende optische Element 20 auf einen zweiten Spot 40 fokussiert wird. Im Ausführungsbeispiel der Figur 4 liegt der zweite Spot 40 in einem Brennpunkt des ersten fokussierenden optischen Elements 20, bzw. umgekehrt liegt der Brennpunkt in dem zweiten Spot 40. Losgelöst vom speziellen
Ausführungsbeispiel der Figur 4 gilt, dass der zweite Spot 40 in einem
Brennpunkt der optischen Vorrichtung 36 liegt oder dass umgekehrt ein
Brennpunkt der optischen Vorrichtung 36 in dem zweiten Spot 40 liegt.
Der Detektor 26 ist im Strahlengang der vom Strahlteiler 38 ausgehenden Strahlung 14 so angeordnet, dass seine strahlungsempfindliche Fläche in dem zweiten Spot 40 oder im Strahlengang der auf den zweiten Spot 40 fokussierten Strahlung 14 hinter dem zweiten Spot 40 liegt. Im in der Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der Detektor 26 im Strahlengang der Strahlung 14 hinter dem zweiten Spot 40. Der zweite Spot 40 liegt im dargestellten
Ausführungsbeispiel auf der Öffnung einer Lochblende 42, so dass der Detektor 26 nur Strahlung 14 registriert, die durch die Öffnung hindurch auf seine strahlungsempfindliche Fläche fällt.
Durch die Lochblende 42 wird Strahlung 14, die aus vor dem, hinter dem, rechts von dem, links von dem, über dem oder unter dem ersten Spot 22 liegenden Bereichen stammt, blockiert, da diese Strahlung von der optischen Vorrichtung 36 auf neben der Öffnung der Lochblende 42 liegende, für die Strahlung 14 intransparente Randbereiche der Lochblende 42 gerichtet wird. Aus diesen Bereichen stammende Strahlung 14 ist zum Beispiel thermische Störstrahlung von der Umgebung oder Signale von Partikeln, die den ersten Spot 22 an dessen Rand durchqueren. Diese Teile der Temperaturstrahlung gelangen daher nicht zum Detektor 26 und verfälschen das Messsignal daher nicht.
Als Folge ergibt sich ein deutlich verbessertes Signal-zu-Rausch Verhältnis (SNR). Anders hingegen verhält es sich für aus dem ersten Spot 22 stammende Temperaturstrahlung, die von der optischen Vorrichtung genau auf die
Lochblendenöffnung gerichtet wird. Diese Temperaturstrahlung kann die
Lochblende vollständig passieren, sofern der Lochblendendurchmesser eine bestimmte Mindestgröße nicht unterschreitet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass der Durchmesser auch kleiner als diese Mindestgröße gewählt werden kann. In diesem Fall muss man mit einem deutlich reduzierten Detektorsignal rechnen. Für die eingesetzte Lochblende können sowohl Lochblenden mit festen als auch variabel einstellbaren Durchmessern genutzt werden. Letztere ermöglichen eine Einstellung der Filterwirkung in einem weiten Bereich.
Der Strahlteiler 38 bewirkt in der optischen Vorrichtung 36 den besonders wichtigen Vorteil, dass nur ein optischer Zugang zum Abgas 32 benötigt wird, da die gleiche Optik, insbesondere das gleiche erste fokussierende optische Element 20 für die Erzeugung des ersten Spots 22 und für das Erfassen der vom Partikel 12 ausgehenden Strahlung 14 benutzt wird.
Das Abgas 32 ist ein Beispiel eines Messgases. Das Messgas kann auch ein anderes Gas oder Gasgemisch sein, zum Beispiel Raumluft.
Figur 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des zweiten Teils 16.2 des
Partikelsensors 16. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel zunächst dadurch, dass die optische Vorrichtung 36 den Strahlteiler 38 mit kollidiertem Laserlicht 10 beleuchtet. Bei diesem
Ausführungsbeispiel weist die optische Vorrichtung 36 ein weiteres optisches Element 44 auf, das im Strahlengang des Laserlichtes 10 zwischen dem
Lasermodul 18 und dem Strahlteiler 38 angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul 18 ausgehendes Laserlicht 10 zu parallelisieren und auf den Strahlteiler 38 zu richten. Das weitere optische Element 44 ist bevorzugt eine Linse 46. Das von dem Lasermodul 18 ausgehende Laserlicht 10 wird mit dem weiteren optischen Element 44 parallelisiert und propagiert durch den Strahlteiler 38 hindurch zum ersten fokussierenden optischen Element 20. Das erste fokussierende optische Element 20 fokussiert das Laserlicht 10 in den ersten Spot 22. Die vom erhitzten Partikel im ersten Spot 22 ausgehende Strahlung 14 wird auch hier über den Strahlteiler 38 in den zum Detektor 26 führenden Strahlengang gerichtet.
Für die Erzeugung des zweiten Spots 40 weist die optische Vorrichtung 36 in diesem Ausführungsbeispiel ein zweites fokussierendes optisches Element 48 aufweist, das in einem von dem Strahlteiler 38 ausgehenden Strahlengang der Strahlung 14 angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, vom Strahlteiler 38 her einfallende Strahlung 14 in den zweiten Spot 40 zu fokussieren. Das zweite fokussierende optische Element 48 ist bevorzugt eine Linse 50.
Zwischen dem Strahlteiler 38 und dem Detektor 26, insbesondere zwischen dem Strahlteiler 38 und dem zweiten fokussierenden optischen Element 48 kann ein wellenlängenselektives optisches Filter 52 angeordnet sein, das für das
Laserlicht 10 weniger durchlässig ist als für von dem Spot 22 ausgehende Strahlung 14. Auf diese Weise kann mögliches Streulicht des anregenden Lasers (z.B. 405 N) herausgefiltert werden. Die so gefilterte Strahlung 14 wird anschließend mit dem zweiten fokussierenden optischen Element 48 in den zweiten Spot 40 fokussiert. Ein solches wellenlängenselektives optisches Filter 52 kann mit sämtlichen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
Das Konzept kann auch mit einem unvollständig oder nicht parallelisierten Laserstrahl aufgebaut werden. Dies ist in der Figur 3 dargestellt. Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mit nicht vollständig parallelisierten
Strahlengängen arbeitenden zweiten Teils 16.2 eines Partikelsensors 16. Dieses weitere Ausführungsbeispiel weist eine optische Vorrichtung 36 auf, die mit einem nicht vollständig parallel ausgerichteten Strahlengang arbeitet. Das weitere optische Element 44, das zwischen dem Lasermodul 18 und dem Strahlteiler 38 angeordnet ist, verringert den Öffnungswinkel des Laserlichtes 10 ohne das Laserlicht dabei vollständig parallel auszurichten. Das erste
fokussierende optische Element 20 fokussiert vom Strahlteiler 38 ausgehendes Laserlicht 10 in den ersten Spot 22 und richtet vom ersten Spot 22 her einfallende Strahlung 14 auf den Strahlteiler 38. Dabei verringert es den
Öffnungswinkel der einfallenden Strahlung 14. Der Strahlteiler 38 richtet vom ersten fokussierenden optischen Element 20 her einfallende Strahlung 14 auf das zweite fokussierende optische Element 48. Das zweite fokussierende optische Element 48 die vom Strahlteiler 38 her einfallende Temperaturstrahlung in den zweiten Spot 40.
Figur 7 zeigt, wie bereits auch Figur 4, ein Ausführungsbeispiel eines mit nicht vollständig parallelisierten Strahlengängen arbeitenden zweiten Teils 16.2 eines Partikelsensors 16. Bei dem in der Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Strahlengang hinter dem zweiten Spot 40, also zwischen der Lochblende und dem Detektor 26, ein drittes optisches Element 53 im Strahlengang der Strahlung 14. Im weiteren Strahlengang der Strahlung 14 ist ein viertes optisches Element 54 angeordnet, das die vom dritten optischen Element 53 her einfallende Strahlung 14 auf den Detektor 26 fokussiert. Die beiden optischen Elemente 53 und 54 sind bevorzugt als Linsen realisiert. Das dritte optische Element 53 parallelisiert die vom zweiten Spot 40 ausgehende Strahlung 14 erneut, während das vierte optische Element 54 die Strahlung 14 schließlich auf den Detektor 26 fokussiert, welcher nun insgesamt ein Stück weit hinter der Lochblende angeordnet ist.
Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen damit insgesamt auch, dass die optische Vorrichtung mit nur einem, mit zwei oder auch mit mehr als zwei fokussierenden optischen Elementen wie Linsen, oder auch Spiegeln aufgebaut sein kann.
Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht in Bezug auf seinen parallelen Strahlengang weitgehend dem
Ausführungsbeispiel aus der Figur 5. Ein Unterschied dieses
Ausführungsbeispiels zu sämtlichen bis hier beschriebenen
Ausführungsbeispielen besteht darin, dass der zweite Spot 40 hier nicht durch eine Lochblende begrenzt wird. Stattdessen ist der Detektor 26 direkt im zweiten Spot 40 angeordnet, bzw. so angeordnet, dass der zweite Spot 40 auf der strahlungsempfindlichen Detektorfläche liegt und durch diese begrenzt wird. In diesem Fall besitzt die strahlungsempfindliche Detektorfläche die Funktion der Lochblende. Temperaturstrahlung, die nicht auf diese strahlungsempfindliche Detektorfläche fällt, trägt nicht zum Messsignal bei und wird auf diese Weise räumlich ausgefiltert. Für eine effiziente Signal-Filterung muss die
strahlungsempfindliche Detektorfläche entsprechend klein ausfallen. Diese Ausgestaltung ist mit sämtlichen hier dargestellten Ausführungsbeispielen kombinierbar. Weiterhin ist auch ein Aufbau möglich, bei dem Die Positionen von
Lasermodul 18 und Detektor 26 vertauscht sind. Der Strahlteiler 38, bzw. der dichroitische Spiegel, muss dann entsprechend eine umgekehrte Funktionalität besitzen. Er sollte dann volle Reflexion für das anregende Laserlicht 10 und volle Transmission für die das Lll-Signal bildende Temperaturstrahlung besitzen.

Claims

Ansprüche
1. Partikelsensor (16) mit einem einen Laser aufweisenden Lasermodul (18) und mit einem zur Detektion von Temperaturstrahlung (14) eingerichteten Detektor (26), dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsensor (16) eine optische Vorrichtung (36) aufweist, die dazu eingerichtet ist, vom
Lasermodul (18) ausgehendes Laserlicht in einen ersten Spot (22) zu fokussieren und die dazu eingerichtet ist, vom ersten Spot (22) ausgehende Temperaturstrahlung (14) in einen zweiten Spot (40) zu fokussieren, wobei eine strahlungsempfindliche Fläche des Detektors (26) in dem zweiten Spot (40) oder im Strahlengang der auf den zweiten Spot (40) fokussierten Temperaturstrahlung (14) hinter dem zweiten Spot (40) liegt.
2. Partikelsensor (16) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (36) einen Strahlteiler (38) und ein erstes
fokussierendes optisches Element (20) aufweist, wobei der Strahlteiler (38) im Strahlengang des Laserlichtes (10) zwischen dem Lasermodul (18) und dem ersten fokussierenden optischen Element (20) angeordnet ist.
3. Partikelsensor (16) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste fokussierende optische Element (20) dazu eingerichtet ist, vom ersten Spot (22) ausgehende Temperaturstrahlung (14) auf den Strahlteiler (38) zu richten und dass der Detektor (26) in einem von dem Strahlteiler (38) ausgehenden Strahlengang der Temperaturstrahlung (14) angeordnet ist.
4. Partikelsensor (16) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spot (22) in einem ersten Brennpunkt des ersten fokussierenden optischen Elements (20) liegt und dass der zweite Spot (40) in einem zweiten Brennpunkt des ersten fokussierenden optischen Elements (20) liegt.
5. Partikelsensor (16) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (36) ein zweites fokussierendes optisches Element (48) aufweist, wobei das das zweite fokussierende optische Element (48) in einem von dem Strahlteiler (38) ausgehenden Strahlengang der
Temperaturstrahlung (14) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, vom Strahlteiler (38) her einfallende Temperaturstrahlung (14) in den zweiten Spot (40) zu fokussieren.
6. Partikelsensor (16) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der von dem Strahlteiler (38) ausgehenden
Temperaturstrahlung (14) ein wellenlängenselektives optisches Filter (52) zwischen dem Strahlteiler (38) und dem zweiten fokussierenden optischen Element (48) angeordnet ist, das für das Laserlicht (10) weniger durchlässig ist als für von dem ersten Spot (22) ausgehende Temperaturstrahlung (14).
7. Partikelsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und der Alternative des Anspruchs 1 , bei der die strahlungsempfindliche Fläche des Detektors (26) im Strahlengang der auf den zweiten Spot (40) fokussierten Temperaturstrahlung (14) hinter dem zweiten Spot (40) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spot(40) in der Öffnung einer Lochblende (42) liegt, die im Strahlengang der Temperaturstrahlung zwischen dem Strahlteiler und dem Detektor angeordnet ist.
8. Partikelsensor (16) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Lochblende (42) und dem Detektor (26) ein drittes optisches Element (53) im Strahlengang der Temperaturstrahlung (14) angeordnet ist, das von der Lochblendenöffnung ausgehende Temperaturstrahlung (14) parallelisiert, und dass im weiteren Strahlengang der Temperaturstrahlung (14) ein viertes optisches Element (54) angeordnet ist, das die vom dritten optischen Element (53) parallelisierte Temperaturstrahlung (14) auf den Detektor (26) fokussiert.
9. Partikelsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (36) ein weiteres optisches Element (44) aufweist, das im Strahlengang des Laserlichtes (10) zwischen dem Lasermodul (18) und dem Strahlteiler (38) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul (18) ausgehendes Laserlicht (10) zu parallelisieren und auf den Strahlteiler (38) zu richten.
10. Partikelsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Halbleiter-Laser-Element, insbesondere eine Laserdiode ist.
1 1. Partikelsensor (16) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (38) ein polarisierender Strahlteiler ist, und dass der polarisierende Strahlteiler so ausgerichtet ist, dass er für das einfallende, eine vorbestimmte Polarisationsrichtung aufweisende Laserlicht (10) maximal durchlässig ist.
12. Partikelsensor (16) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (38) ein dichroitischer Spiegel ist. polarisierender Strahlteiler ist, und dass der polarisierende Strahlteiler so ausgerichtet ist, dass er für das einfallende, eine vorbestimmte Polarisationsrichtung aufweisende Laserlicht (10) maximal durchlässig ist.
13. Partikelsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasermodul (18) dazu eingerichtet ist, Laserlicht (10) mit Wellenlängen unterhalb von 500 nm, insbesondere von 405 nm, 450 nm oder 465 nm zu emittieren und dass das wellenlängenselektive optische Filter (52) so beschaffen ist, dass es Licht mit Wellenlängen unterhalb von 500 nm abschwächt oder sogar blockiert.
14. Partikelsensor (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 Partikelsensors (16) enthält, wobei beide Teile durch eine für das Messgas undurchlässige Trennwand (16.3) getrennt sind.
15. Partikelsensor (16) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trennwand im Strahlengang des Laserlichtes (10) ein Fenster (34) angebracht ist, das sowohl für das Laserlicht (10) als auch für vom ersten Spot (22) ausgehende Strahlung (14) durchlässig ist.
16. Partikelsensor (16) nach Anspruch 14 oder 15, 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 erste Spot (22) im Inneren des inneren Schutzrohrs (30) liegt, dass das äußere Schutzrohr (28) an seinem dem Lasermodul (18) zugewandten Ende über das innere Schutzrohr (30) hinausragt und dass das innere Schutzrohr (30) an dem entgegengesetzten Ende über das äußere Schutzrohr (28) hinausragt.
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