EP3894824A1 - Verfahren zur detektion von partikeln oder aerosol in einem strömenden fluid, computerprogramm sowie elektrisches speichermedium - Google Patents

Verfahren zur detektion von partikeln oder aerosol in einem strömenden fluid, computerprogramm sowie elektrisches speichermedium

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Publication number
EP3894824A1
EP3894824A1 EP19794140.4A EP19794140A EP3894824A1 EP 3894824 A1 EP3894824 A1 EP 3894824A1 EP 19794140 A EP19794140 A EP 19794140A EP 3894824 A1 EP3894824 A1 EP 3894824A1
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EP
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time intervals
temperature radiation
spot
laser
particle
Prior art date
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Pending
Application number
EP19794140.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Radoslav Rusanov
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers
    • G01N2015/1493—Particle size

Definitions

  • the invention relates to a method for the detection of particles or aerosol in a flowing fluid using the principle of laser-induced incandescence, as well as a computer program and an electrical one
  • LN laser-induced incandescence
  • soot particles with a nanosecond pulse for example soot particles with a nanosecond pulse
  • the method according to the invention serves for the detection of particles or aerosol in a fluid, for example an exhaust gas. He works using the principle of laser-induced incandescence (LII). It starts with Laser light, which emanates from a laser and is concentrated in a spot, i.e. a volume area with the smallest dimensions in the pm range, with a sufficiently high intensity, heats a particle to several thousand degrees through partial absorption of the laser light. This hot particle gives way after LII. It starts with Laser light, which emanates from a laser and is concentrated in a spot, i.e. a volume area with the smallest dimensions in the pm range, with a sufficiently high intensity, heats a particle to several thousand degrees through partial absorption of the laser light. This hot particle gives way after
  • Planck's law of radiation emits a characteristic temperature radiation (incandescence or glow emission), which serves as a measurement signal and is received with a detector.
  • the spectrum of this thermally emitted light (thermal radiation) is usually relatively broadband with a maximum in the red range (at approx. 750 nm).
  • an optical element which is arranged in the beam path of the laser and is designed and set up to bundle the laser light emanating from the laser in the very small spot is used.
  • a focus diameter of e.g. 10 pm it can be assumed that only one particle flies through the spot at a time
  • the detector is set up and arranged such that it detects the temperature radiation emanating from the spot.
  • Inexpensive semiconductor laser diodes can be used as lasers.
  • the detection of the temperature radiation can, for example, by means of a sensitive one
  • Photodiode or a multi-pixel photon counter (MPPC).
  • the method according to the invention comprises at least the following steps:
  • Time intervals the duration of the time intervals of one
  • the invention uses the fact that the particles or aerosols have a typical flight time through the laser spot, which depends on the known and constant spot dimensions and above all on the variable
  • Velocity of the fluid in which the particles or aerosol are located depends. This makes it possible to determine the probable period of time during which the signal provided by the detector is detected on the basis of a
  • the invention thus aims at a method for extended signal evaluation, in which the information regarding the fluid velocity (e.g. from a
  • Engine control unit of an internal combustion engine is used
  • variable characterizing temperature radiation for example intensity over time
  • the variable characterizing temperature radiation is evaluated as a function of a speed of the fluid and thus to optimize the signal-to-noise ratio. It is
  • Time interval at a high speed of the fluid is shorter than at a low speed of the fluid.
  • the method according to the invention allows both the number and the mass concentration of particles or aerosols in a flowing fluid, in particular of soot particles in the exhaust gas from diesel and
  • Gasoline vehicles This explicitly includes the ability to
  • the invention allows an improvement or optimization of the relationship between the actual signal and signal noise so that even very small soot particles can be reliably detected.
  • a lower detection limit can be reduced by the method according to the invention, for example to a particle size of less than 23 nm.
  • Evaluation algorithms are used, whereby a computing effort is reduced.
  • time intervals overlap. This allows a seamless evaluation of the variable characterizing the detected temperature radiation.
  • the time intervals can thus be a kind of "sliding window", i.e. that the quantity provided by the detector is evaluated in a time interval and compared with the expected background noise, this time interval e.g. is "pushed" forward in a certain time grid, for example every 1 ps, so that the last time sections of the size are always evaluated in the time interval.
  • the duration of the time interval is greater than an expected FWHM of the size characterizing the temperature radiation, in particular approximately 1 to 2 times, more preferably approximately 1.5 times the expected FWHM.
  • An FWHM is understood to mean a “full width at half maximum” or a “half width”, which is the difference between the two
  • the duration of the time interval during which the size provided by the detector is compared with the expected background and a decision is made about the detection or non-detection of a particle is based on the expected FWHM, determined on the basis of the speed of the fluid, of the size provided by the detector customized. This can be, for example, one or two times the expected FWHM.
  • These adjustments to the duration of the time interval or “evaluation windows” serve to ensure that background noise is not unnecessarily collected around the signal expected for a detected particle, as a result of which the signal-to-noise ratio would be deteriorated.
  • a further development of the invention provides that an overlap period of two adjacent or successive time intervals corresponds to at least half the duration of the time interval. This allows a reliable evaluation of the entire course of the variable provided by the detector.
  • a particle is considered to be detected if the quantity characterizing the temperature radiation or a quantity determined therefrom at least reaches a limit value within a time interval. This is easy to implement in terms of programming.
  • the limit value can depend on an expected background noise. In this way, the "sensitivity" to the expected
  • variable that characterizes the temperature radiation is thus “collected” at fixed intervals, which for example have a duration of e.g. can have 0.5 times the FWHM.
  • a particle is considered to be detected if, within at least two immediately successive time intervals, the quantity characterizing the temperature radiation or a quantity determined therefrom at least reaches a limit value or several different limit values. In this way, the detection of a particle can be displayed very easily.
  • the limit value or the limit values can in turn depend on an expected background noise.
  • variable that characterizes temperature radiation is a continuous variable and an integral is preferably formed therefrom within the scope of the evaluation within the time interval. This is useful, for example, when the detector is a photodiode. In a development of the invention it is provided that the
  • Characteristic temperature radiation characteristic includes a discontinuous variable, in particular a number of pulse-like signals. This is useful if the detector is an MPPC. In the course of the evaluation, a number of the pulse-like signals can then be determined from this within a time interval.
  • time intervals overlapping / non-overlapping
  • time intervals can also be combined with one another, that is to say they can be implemented as mixed forms.
  • the speed of the fluid is determined from an FWHM of preferably large particles, and that this determined speed is then used to determine the length of the time intervals for the detection of the small particles.
  • the SNR signal-to-noise ratio
  • the invention also includes a computer program which is programmed to carry out the method according to at least one of the preceding claims, and an electrical storage medium for one
  • Evaluation device in particular for use in an exhaust system of an internal combustion engine, on which a computer program for executing the above method is stored, and finally also one
  • FIG. 1 shows a measurement principle based on laser-induced incandescence, which is used in the invention using a detector in the form of a photodiode, for example;
  • FIG. 2 shows a basic structure of a particle sensor which uses the measuring principle shown in principle in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a block diagram to explain the structure of the particle sensor from FIG. 2;
  • FIG. 4 is a more detailed representation of the structure of the particle sensor of
  • Figure 5 is a diagram in which the course of one of the detector of
  • Particle sensor of Figure 4 and a variable characterizing a detected temperature radiation over time is shown together with a first type of evaluation time intervals, at a first velocity of the flowing fluid;
  • Figure 6 is a diagram similar to Figure 5, at a second velocity of the flowing fluid that is higher than the first velocity;
  • FIG. 7 shows a diagram similar to FIG. 5, with a second type of evaluation time interval at a first speed of the flowing fluid
  • Figure 8 is a diagram similar to Figure 7 at a second velocity of the flowing fluid that is higher than the first velocity
  • Figure 9 is a diagram similar to Figure 5 but with a different type of size provided by the detector.
  • FIG. 10 shows a flow diagram of a method for the detection of particles.
  • FIG 1 illustrates the measurement principle based on laser-induced incandescence ("LN").
  • High-intensity laser light 10 strikes a particle 12, for example a soot particle in the exhaust gas stream of an internal combustion engine (not shown).
  • the intensity of the laser light 10 is so high that the energy of the laser light 10 absorbed by the particle 12 extends the particle 12 to several thousand Degrees Celsius heated.
  • the particle 12 spontaneously emits significant radiation 14 in the form of temperature radiation, also referred to as LII light, essentially without a preferred direction. Part of the radiation 14 emitted in the form of temperature radiation is therefore also emitted in the opposite direction to the direction of the incident laser light 10.
  • FIG. 2 shows schematically a basic structure of an embodiment of a particle sensor 16.
  • a spot is understood here as a volume element with very small dimensions in the pm range.
  • the optical element 20 preferably comprises a lens 24. Only in the volume of the spot 22 does the intensity of the laser light 10 reach the high values necessary for laser-induced incandescence.
  • the dimensions of the spot 22 are in the range of a few pm, in particular in the range of at most 200 pm, so that particles 12 passing through the spot 22 are excited to emit evaluable radiation powers, be it through laser-induced incandescence or through chemical reactions (in particular oxidation). As a result, it can be assumed that there is always at most one particle 12 in the spot 22 and that a current measurement signal from the particle sensor 16 only originates from this at most one particle 12.
  • the measurement signal is generated by a detector 26, which is arranged in the particle sensor 16 such that it detects particles 12 passing through the spot 22
  • the measurement signal provided by the detector 26 is a variable that characterizes the detected temperature radiation.
  • the detector 26 preferably has at least one photodiode 26.1, which detects the temperature radiation and enables quantification (intensity as a function of time). This enables a single particle measurement, which enables the extraction of information about the particle 12, such as size and speed.
  • an inexpensive SiPM silicon photomultiplier
  • SPAD diode single-photon avalanche diode
  • the detector can also comprise an MPPC (multi-pixel photon counter).
  • 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 enables the use of inexpensive semiconductor laser elements (laser diodes), which the
  • FIG. 3 shows a block diagram of a possible embodiment of the
  • the laser module 18, which emits the laser light 10 can be seen.
  • the laser light 10 is first shaped by a lens 29 into a parallel beam which passes through a beam splitter, for example in the form of a beam splitter or a dichroic mirror 30. From there it arrives at the optical element 20 or the lens 24 and further in a focused form to the spot 22.
  • a beam splitter for example in the form of a beam splitter or a dichroic mirror 30. From there it arrives at the optical element 20 or the lens 24 and further in a focused form to the spot 22.
  • Temperature radiation 14 (dashed arrows) one in the spot 22 through the
  • Particle 12 excited by laser light 10 in turn passes through lens 24 back to dichroic mirror 30, where it is deflected in the present example by 90 °, passes through a focusing lens 31 and through a filter 32 (this is not mandatory) to photodiode 26.1 of detector 26 reached (in principle, it is also conceivable that the temperature radiation first passes through a filter and then through a focusing lens).
  • the filter 32 is designed such that it filters out the wavelengths of the laser light 10. The interfering background is thus reduced by the filter 32.
  • the exemplary embodiment having the filter 32 specifically uses the narrow bandwidth of laser sources (for example laser diodes) in that this narrow bandwidth is used is filtered out by the detector 26. It is also conceivable to use a simple edge filter. This improves the signal-to-noise ratio.
  • FIG. 4 shows in more detail an advantageous exemplary embodiment of a particle sensor 16, which is suitable for use as a soot particle sensor in the exhaust gas of a combustion process, for example in the exhaust system of an internal combustion engine.
  • the exhaust gas forms an example of a fluid flowing at a certain speed that contains particles.
  • the particle sensor 16 has an arrangement of an outer protective tube 44 and an inner protective tube 46.
  • the two protective tubes 44, 46 preferably have a general cylindrical shape or prism shape.
  • the base areas 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 48.
  • the inner protective tube 46 projects in the direction of the axes beyond the outer protective tube 44 into the flowing exhaust gas 48.
  • the outer protective tube 44 projects beyond the inner protective tube 46.
  • the clear width of the outer protective tube 44 is preferably so much larger than the outer diameter of the inner protective tube 46 that a first flow cross section results between the two protective tubes 44, 46.
  • the clear width of the inner protective tube 46 forms a second
  • Flow cross section enters the arrangement of the two protective tubes 44, 46, then changes its direction at the end of the protective tubes 44, 46 facing away from the exhaust gas 48, enters the inner protective tube 46 and is sucked out of this by the exhaust gas 48 flowing past (arrows with the reference symbol 49 ). This results in a laminar flow in the inner protective tube 46.
  • This arrangement of protective tubes 44, 46 is fastened with the soot particle sensor 16 transversely to the direction of flow of the exhaust gas 48 on or in an exhaust pipe (not shown).
  • the soot particle sensor 16 also has the laser 18, which preferably, as shown here, generates parallel laser light 10.
  • the beam splitter is already in the form of the above dichroic mirror 30 mentioned by way of example.
  • a part of the laser light 10 which passes through the beam splitter 30 without deflection is focused by the optical element 20 to the very small spot 22 in the interior of the inner protective tube 46.
  • the light intensity is high enough to heat the particles 12 transported with the exhaust gas 48 at the speed of the flow in the inner protective tube (arrow 49) to several thousand degrees Celsius, so that the heated particles 12 have significant radiation 14 in the form from
  • the radiation 14 is in the near infrared and visible spectral range, for example, but is not on this
  • the laser 18 has a laser diode 50 and a lens 52 which aligns the laser light 10 emanating from the laser diode 50 in parallel.
  • the use of the laser diode 50 represents a particularly inexpensive and easy-to-use possibility of generating laser light 10.
  • the parallel laser light 10 is focused by the optical element 20 to the spot 22.
  • the particle sensor 16 preferably has a first part 16.1 which is exposed to the exhaust gas and a second part 16.2 which is not exposed to the exhaust gas and which contains the optical components of the particle sensor 16. Both parts are separated by a partition 16.3 which runs between the protective tubes 44, 46 and the optical elements of the particle sensor 16.
  • the wall 16.3 serves to isolate the sensitive optical elements from the hot, chemically aggressive and “dirty” exhaust gas 48
  • particularly sensitive components of the particle sensor for example the laser and the detector, are accommodated in a separate housing, and that for the transport of the laser light and / or the thermal radiation to / from the optical components arranged in the exhaust gas, for example, optical waveguides in Form of one or more glass fibers can be used.
  • the particle sensor 16 can furthermore have an evaluation device 56, which is programmed to evaluate, on the basis of the signals of the detector 26, the one provided by the detector 26 and the one detected
  • the evaluation unit 56 has components that are not shown in any further detail.
  • FIGS. 5 and 6 The quantity already mentioned above and provided by the detector 26, which characterizes the intensity of the temperature radiation 14 detected by the detector 26, is plotted in these over time t.
  • a value of the measurement signal 58 is designated by S. It can be seen that the measurement signal 58 is a continuous variable, which, however, runs in a wave-like or zigzag fashion, which corresponds to noise.
  • the measurement signal 58 which otherwise remains at a constant low level, rises to an increased value (maximum Smax) and then drops again.
  • FWHM or Full Width at Half Maximum is indicated in the figures by a double arrow with the reference symbol 60.
  • Rectangular boxes in FIGS. 5 and 6 denote time intervals which have the reference symbols 62a, 62b and 62c. In the present case, only three time intervals 62a-c are shown as examples. In fact, however, there is an almost unlimited sequence of time intervals. In this case, a duration 64 of the time intervals 62a-c is greater than the half-value width 60. In the present case, it is approximately 1.5 times the half-value width 60. It can also be seen from FIGS. 5 and 6 that the time intervals 62a-c overlap.
  • An overlap period 66 between successive time intervals 62a and 62b or 62b and 62c is constant and in the present case is approximately 75% of a duration 64 of a time interval 62a-c, that is to say greater than half of the duration 64 of a time interval 62a-c.
  • the duration 64 of the time intervals 62a-c is variable in the present case. It depends on the expected half-width 60.
  • the expected half-width 60 in turn depends on the current speed of the flow 49 of the exhaust gas 48 in the spot 22 and thus on the expected possible residence time of a particle 12 in the spot 22.
  • the speed of the flow 49 of the exhaust gas 48 in the inner protective tube 46 can in turn be used in the application example of an internal combustion engine described here using the current one
  • Operating state of the internal combustion engine can be determined or at least estimated, for example on the basis of a current speed and a current torque and on the basis of the geometry of the outer protective tube 44 and the inner protective tube 46.
  • Half-width 60 and thus the duration 64 is rather small ( Figure 6).
  • the measurement signal 58 is always evaluated only within a time interval 62a-c. During the evaluation, for example, an integral of the measurement signal 58 is formed within the respective time interval 62a-c, that is to say the area below the measurement signal 58 is calculated within the limits of the respective time interval 62a-c. This integral (“integral value”) is therefore an off the size that characterizes the temperature radiation 14. The integral value obtained for each time interval 62a-c is then replaced by a
  • a particle 12 is considered to be detected when the
  • Integral value reaches or exceeds the limit.
  • FIGS. 7 and 8 An alternative type of evaluation is shown in FIGS. 7 and 8. There are no overlapping, but successive and immediately adjacent time intervals 62a-c are used. Again, the measurement signal 58 is evaluated by forming the integral under the measurement signal 58 within each time interval 62a-c. A particle 12 is considered to be detected if it is immediately within at least two
  • the limit value upon reaching or exceeding which indicates the presence of a particle 12, may depend on an expected background signal (noise).
  • FIGS. 5-8 concerned an embodiment in which the detector 26 comprises, for example, a photodiode 26.1 which provides a continuous measurement signal 58.
  • the detector 26 comprises, for example, a photodiode 26.1 which provides a continuous measurement signal 58.
  • the detector 26 it is also possible (FIG. 9) for the detector 26 to comprise an MPPC which provides a discontinuous measurement signal in the form of a number of individual photon pulses 58.
  • a particle 12 is considered to be detected when the number of individual photon pulses 58 counted within a time interval 62 reaches or exceeds a limit value.
  • the width of the time interval is adjusted depending on the speed of the fluid.
  • a laser light 10 emanating from the laser 18 is bundled into the spot 22 in a block 70.
  • fluid namely the exhaust gas 48, which contains particles 12, is passed through the spot 22 by means of the flow 49 headed.
  • a block 74 the one emanating from the spot 22
  • Temperature radiation 14 detected by the detector 26 The duration 64 of the time intervals 62a-c is determined in a block 76, specifically depending on a speed of the flow 49 of the exhaust gas 48 provided in a block 78.
  • the detector 26 provides a measurement signal 58
  • the one below the measurement signal 58 is integrally formed in a block 82 in each time interval 62a-c (in the case of a continuous measurement signal 58), or the number of individual photon pulses 58 located within each time interval 62 is determined ( with a discontinuous measurement signal 58).
  • the ascertained integrals or ascertained numbers are compared in block 84 with a limit value. If the limit value is reached or exceeded, the detection of an article 12 is assumed in block 86. On the other hand, if the limit value is not reached, it is assumed in block 88 that no particle 12 has been detected. The method ends in a block 90.
  • the exhaust gas 48 is only one example of a possible measurement gas.
  • Sample gas can also be another gas or gas mixture.
  • the method can also be used for other scenarios and areas of application (e.g. with portable emission monitoring systems, measurement of indoor air quality,
  • thermal radiation can also be conducted by means of optical fibers.

Abstract

Ein Verfahren zur Detektion von Partikeln oder Aerosol in einem strömenden Fluid unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz umfasst die folgenden Schritte: a. Bündeln eines von einem Laser ausgehenden Laserlichts in einen Spot, b. Leiten eines Fluids, das Partikel oder Aerosol enthält, durch den Spot, c. Erfassen einer von dem Spot ausgehenden Temperaturstrahlung mittels eines Detektors, d. Auswerten einer vom Detektor bereitgestellten, die erfasste Temperaturstrahlung charakerisierenden Größe innerhalb von Zeitintervallen, wobei die Dauer der Zeitintervalle von einer Geschwindigkeit des Fluids abhängt.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Detektion von Partikeln oder Aerosol in einem strömenden Fluid, Computerprogramm sowie elektrisches Speichermedium
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Partikeln oder Aerosol in einem strömenden Fluid unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz, sowie ein Computerprogramm und ein elektrisches
Speichermedium nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
Das Prinzip der laserinduzierten Inkandeszenz ("LN") ist zur Detektion von Nanopartikeln in einem Gas, beispielsweise 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 Partikel,
beispielsweise Rußpartikel, mit einem Nanosekunden-Puls eines
Hochleistungslasers auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt, so dass sie signifikant Wärme- bzw. Temperaturstrahlung emittieren. Diese thermisch induzierte Lichtemission der Partikel wird mit einem Lichtdetektor gemessen. Die Unterscheidung von Signalen von kleinen Partikeln vor sogenannten
„Hintergrundsignalen“, die durch thermische Effekte und/oder Signalrauschen verursacht werden, stellt dabei eine Herausforderung dar.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Computerprogramm und ein elektrisches Speichermedium mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Detektion von Partikeln oder Aerosol in einem Fluid, beispielsweise einem Abgas. Er arbeitet unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz (LII). Dabei wird zunächst mit Laserlicht, welches von einem Laser ausgeht und in einem Spot, also einem Volumenbereich mit kleinsten Abmessungen im pm-Bereich, mit genügend hoher Intensität gebündelt ist, ein Partikel durch teilweise Absorption des Laserlichts auf mehrere tausend Grad erhitzt. Dieser heiße Partikel gibt nach dem
Planck'schen Strahlungsgesetz eine charakteristische Temperaturstrahlung ab (Inkandeszenz bzw. Glühemission), welche als Messsignal dient und mit einem Detektor empfangen wird. Das Spektrum dieses thermisch emittierten Lichts (Temperaturstrahlung) ist üblicherweise relativ breitbandig mit einem Maximum im roten Bereich (bei ca. 750 nm).
Zu diesem Zweck wird ein im Strahlengang des Lasers angeordnetes optisches Element verwendet, das dazu ausgebildet und eingerichtet ist, das von dem Laser ausgehende Laserlicht in dem sehr kleinen Spot zu bündeln. Bei einem Fokusdurchmesser von z.B. 10 pm kann davon ausgegangen werden, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt immer nur ein Partikel den Spot durchfliegt
(intrinsische Einzelpartikel-Detektierbarkeit), wenn man eine Partikel
konzentration von 1013/m3 zu Grunde legt. Der Detektor ist so eingerichtet und angeordnet, dass er die vom Spot ausgehende Temperaturstrahlung detektiert. Als Laser können kostengünstige Halbleiterlaserdioden eingesetzt werden. Die Detektion der Temperaturstrahlung kann z.B. mittels einer empfindlichen
Fotodiode oder eines Multi-Pixel-Photon-Counters (MPPC) erfolgen.
Konkret umfasst das erfindungsgemäße Verfahren mindestens die folgenden Schritte:
a. Bündeln eines von einem Laser ausgehenden Laserlichts in einen Spot, b. Leiten eines Fluids, das Partikel oder Aerosol enthält, durch den Spot, c. Erfassen einer von dem Spot ausgehenden Temperaturstrahlung mittels eines Detektors,
d. Auswerten einer vom Detektor bereitgestellten, die erfasste
Temperaturstrahlung charakerisierenden Größe innerhalb von
Zeitintervallen, wobei die Dauer der Zeitintervalle von einer
Geschwindigkeit des Fluids abhängt.
Die Erfindung nutzt dabei die Tatsache, dass die Partikel bzw. Aerosole eine typische Durchflugzeit durch den Laser-Spot haben, welche von den bekannten und konstanten Spotabmessungen und vor allem von der variablen
Geschwindigkeit des Fluids, in dem sich die Partikel bzw. das Aerosol befinden, abhängt. Hierdurch ist es möglich, die wahrscheinliche Zeitdauer, während der sich das vom Detektor bereitgestellte Signal aufgrund einer detektierten
Temperaturstrahlung ändert, vorherzusagen. Somit kann die Signalauswertung auf diese Zeitdauer beschränkt werden, so dass zuvor und danach vorhandenes „Hintergrund-Signalrauschen“ ausgeblendet werden kann und somit einen geringeren Einfluss hat.
Somit zielt die Erfindung auf ein Verfahren zur erweiterten Signalauswertung, bei welcher die Information bzgl. der Fluidgeschwindigkeit (z.B. aus einem
Motorsteuergerät einer Brennkraftmaschine) dazu verwendet wird, ein
Zeitintervall (Partikeldetektionsintervall), innerhalb dem die die erfasste
Temperaturstrahlung charakterisierende Größe (bspw. Intenisität über Zeit) ausgewertet wird, abhängig von einer Geschwindigkeit des Fluids zu steuern und damit das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis zu optimieren. Dabei ist das
Zeitintervall bei einer hohen Geschwindigkeit des Fluids kürzer als bei einer geringen Geschwindigkeit des Fluids.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt sowohl eine Messung der Anzahl- als auch der Massenkonzentration von Partikeln oder Aerosole in einem strömenden Fluid, insbesondere von Rußpartikeln im Abgas von Diesel- und
Benzinfahrzeugen. Mit inbegriffen ist hierbei explizit die Fähigkeit zur
Einzelpartikeldetektion in einem Prüfvolumen, so dass auch die Partikelgröße aus den Messdaten bestimmt werden kann. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren für die OBD-Überwachung (OBD = On Board Diagnose) des
Zustandes eines Partikelfilters eingesetzt werden. Ein mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren betriebener Partikelsensor besitzt
eine kurze Ansprechzeit und ist quasi sofort nach Aktivierung einsatzbereit.
Gerade in Benzinfahrzeugen ist eine Partikelzahl-Messfähigkeit sowie eine sofortige Einsatzbereitschaft unmittelbar nach dem Start des Fahrzeugs sehr wichtig, da ein Großteil der bei Kraftfahrzeugen mit einer Benzin- Brennkraftmaschine typischerweise emittierten sehr feinen Partikel (wenig Masse, hohe Anzahl) während des Kaltstarts entstehen.
Die Erfindung gestattet eine Verbesserung bzw. Optimierung des Verhältnisses zwischen dem eigentlichen Signal und einem Signalrauschen so, dass auch sehr kleine Rußpartikel zuverlässig detektiert werden können. Insbesondere kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine untere Nachweisegrenze reduziert werden, beispielsweise auf eine Partikelgröße von unter 23nm. Schließlich können dank des erfindungsgemäßen Verfahrens vereinfachte
Auswertealgorithmen verwendet werden, wodurch ein Rechenaufwand reduziert wird.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich mindestens einige Zeitintervalle überlappen. Dies gestattet eine lückenlose Auswertung der die erfasste Temperaturstrahlung charakterisierenden Größe. Die Zeitintervalle können somit eine Art„sliding window“ sein, d.h. dass die vom Detektor bereitgestellte Größe in einem Zeitintervall ausgewertet und mit dem erwarteten Hintergrundrauschen verglichen wird, wobei dieses Zeitintervall z.B. in einem bestimmten Zeitraster, beispielsweise alle 1 ps, nach vorne„geschoben“ wird, so dass immer die zeitlich letzten Abschnitte der Größe im Zeitintervall ausgewertet werden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dauer des Zeitintervalls größer ist als ein erwartetes FWHM der die Temperaturstrahlung charakerisierenden Größe, insbesondere ungefähr das 1- bis 2-fache, stärker bevorzugt ungefähr das 1 ,5-fache des erwarteten FWHM beträgt. Unter einem FWHM wird ein„Full Width at Half Maximum“ bzw. eine„Halbwertsbreite“ verstanden, bei der es sich um die Differenz zwischen den beiden
Argumentwerten handelt, für die die Funktionswerte auf die Hälfte des
Maximums abgesunken sind. Auf diese Weise wird die Möglichkeit geschaffen, den vollständigen relevanten Bereich des Verlaufs einer die erfasste
Temperaturstrahlung charakterisierenden Größe bei einem erfassten Partikel auszuwerten.
Somit wird die Dauer des Zeitintervalls, während dem man die von dem Detektor bereitgestellte Größe mit dem erwarteten Hintergrund vergleicht und über die Detektion oder Nicht-Detektion eines Partikels entscheidet, auf das auf der Basis der Geschwindigkeit des Fluids ermittelte erwartete FWHM der vom Detektor bereitgestellten Größe angepasst. Das kann z.B. das Einfache oder Zweifache des erwarteten FWHM sein. Diese Anpassungen der Dauer des Zeitintervalls oder„evaluation Windows“ dienen dazu, dass nicht unnötig Hintergrundrauschen um das bei einem detektierten Partikel erwartete Signal herum eingesammelt wird, wodurch das Signal-Rauschen-Verhältnis verschlechtert werden würde. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Überlappungszeitraum von zwei benachbarten bzw. aufeinanderfolgenden Zeitintervallen mindestens der Hälfte der Dauer des Zeitintervalls entpricht. Dies gestattet eine zuverlässige Auswertung des gesamten Verlaufs der vom Detektor bereitgestellten Größe.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Partikel als detektiert gilt, wenn die die Temperaturstrahlung charakterisierende oder eine hieraus ermittelte Größe innerhalb eines Zeitintervalls einen Grenzwert mindestens erreicht. Dies ist programmtechnisch einfach realisierbar.
Der Grenzwert kann dabei von einem erwarteten Hintergrundrauschen abhängen. Auf diese Weise kann die "Empfindlichkeit" an das erwartete
Hintergrundrauschen angepasst werden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich mindestens einige aufeinanderfolgende Zeitintervalle nicht überlappen, vorzugsweise jedoch unmittelbar aneinander anschließen. Dies ist programmtechnisch ebenfalls sehr einfach realisierbar. Die die Temperaturstrahlung charakterisierende Größe wird also in zeitlich festen Intervallen„gesammelt“, welche beispielhaft eine Dauer von z.B. dem 0,5-fachen des FWHM haben können.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass, dass ein Partikel als detektiert gilt, wenn innerhalb von mindestens zwei unmittelbar aufeinander folgenden Zeitintervallen die die Temperaturstrahlung charakterisierende oder eine hieraus ermittelte Größe einen Grenzwert oder mehrere unterschiedliche Grenzwerte mindestens erreicht. Auf diese Weise kann die Detektion eines Partikels sehr einfach angezeigt werden. Dabei kann wiederum der Grenzwert bzw. können die Grenzwerte von einem erwarteten Hintergrundrauschen abhängen.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die die
Temperaturstrahlung charakerisierende Größe eine kontinuierliche Größe ist und vorzugsweise aus ihr im Rahmen der Auswertung innerhalb des Zeitintervalls ein Integral gebildet wird. Dies bietet sich beispielsweise dann an, wenn der Detektor eine Fotodiode ist. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die die
Temperaturstrahlung charakerisierende Größe eine diskontinuierliche Größe, insbesondere eine Anzahl von pulsartigen Signalen, umfasst. Dies bietet sich dann an, wenn der Detektor ein MPPC ist. Im Rahmen der Auswertung kann dann hieraus eine Anzahl der pulsartigen Signale innerhalb eines Zeitintervalls ermittelt werden.
Es versteht sich, dass die oben erwähnten Arten von Zeitintervallen (überlappend / nicht-überlappend) auch miteinander kombiniert werden können, also als Mischformen realisiert werden können.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Geschwindigkeit des Fluids aus einer FWHM von bevorzugt großen Partikeln ermittelt wird, und dass diese ermittelte Geschwindigkeit dann zur Bestimmung der Länge der Zeitintervalle für die Detektion der kleinen Partikel verwendet wird. Bei großen Partikeln ist die SNR (signal-to-noise-ratio) besonders günstig.
Zu der Erfindung gehört auch ein Computerprogramm, welches zur Ausführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist, sowie einelektrisches Speichermedium für eine
Auswerteeinrichtung, insbesondere zur Verwendung in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine, auf dem ein Computerprogramm zur Ausführung des obigen Verfahrens abgespeichert ist, und schließlich auch noch eine
Zustandsmaschine, insbesondere ein ASIC, die zur Ausführung des obigen Verfahrens programmiert ist.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 ein auf der laserinduzierten Inkandeszenz basierendes Messprinzip, dass bei der Erfindung unter Verwendung eines Detektors beispielhaft in Form einer Fotodiode verwendet wird;
Figur 2 einen prinzipiellen Aufbau eines Partikelsensors, der das in Figur 1 prinzipiell dargestellte Meßprinzip einsetzt; Figur 3 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Aufbaus des Partikelsensors von Figur 2;
Figur 4 eine detailliertere Darstellung des Aufbaus des Partikelsensors von
Figur 3, einschließlich der Darstellung eines strömenden Fluids, in dem Partikel vorhanden sind;
Figur 5 ein Diagramm, in dem der Verlauf einer von dem Detektor des
Partikelsensors von Figur 4 bereitgestellten und eine erfasste Temperaturstrahlung charakterisierenden Größe über der Zeit zusammen mit einer ersten Art von Auswerte-Zeitintervallen dargestellt ist, bei einer ersten Geschwindigkeit des strömenden Fluids;
Figur 6 ein Diagramm ähnlich zu Figur 5, bei einer zweiten Geschwindigkeit des strömenden Fluids, die höher ist als die erste Geschwindigkeit;
Figur 7 ein Diagramm ähnlich zu Figur 5, mit einer zweiten Art von Auswerte- Zeitintervallen bei einer ersten Geschwindigkeit des strömenden Fluids;
Figur 8 ein Diagramm ähnlich zu Figur 7, bei einer zweiten Geschwindigkeit des strömenden Fluids, die höher ist als die erste Geschwindigkeit;
Figur 9 ein Diagramm ähnlich zu Figur 5, jedoch mit einer anderen Art der von dem Detektor bereitgestellten Größe; und
Figur 10 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Detektion von Partikeln.
Funktionsäquivalente Elemente und Bereiche tragen in der nachfolgenden Beschreibung die gleichen Bezugszeichen.
Figur 1 veranschaulicht das auf der laserinduzierten Inkandeszenz ("LN") basierende Messprinzip. Laserlicht 10 hoher Intensität trifft auf einen Partikel 12, beispielsweise eine Rußpartikel im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt). Die Intensität des Laserlichts 10 ist so hoch, dass die vom Partikel 12 absorbierte Energie des Laserlichtes 10 den Partikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt. Als Folge der Erhitzung emittiert der Partikel 12 spontan und im Wesentlichen ohne Vorzugsrichtung signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung, 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 Partikelsensors 16. Der Partikelsensor 16 weist hier ein CW-Lasermodul 18 (CW = continuous wave, also "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. Als Spot wird hier ein Volumenelement mit sehr kleinen Abmessungen im pm-Bereich verstanden. Das optische Element 20 umfasst bevorzugt eine Linse 24. Nur im Volumen des Spots 22 erreicht die Intensität des Laserlichts 10 die für laserinduzierte Inkandeszenz notwendigen hohen Werte.
Die Abmessungen des Spots 22 liegen im Bereich einiger pm, insbesondere im Bereich von höchstens 200 pm, sodass den Spot 22 durchquerende Partikel 12 zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen angeregt werden, sei es durch laserinduzierte Inkandeszenz oder durch chemische Reaktionen (insbesondere Oxidation). Als Folge kann davon ausgegangen werden, dass sich stets höchstens ein Partikel 12 in dem Spot 22 befindet und dass ein momentanes Messsignal des Partikelsensors 16 nur von diesem höchstens einen Partikel 12 stammt.
Das Messsignal wird von einem Detektor 26 erzeugt, der im Partikelsensor 16 so angeordnet ist, dass er vom den Spot 22 durchfliegenden Partikel 12
ausgehende Strahlung 14, insbesondere Temperaturstrahlung detektiert.
Insoweit ist das vom Detektor 26 bereitgestellte Messsignal eine die erfasste Temperaturstrahlung charakterisierende Größe. Der Detektor 26 weist dazu bevorzugt wenigstens eine Fotodiode 26.1 auf, welche die Temperaturstrahlung erfasst und eine Quantifizierung (Intensität als Funktion der zeit) ermöglicht. Damit wird eine Einzelpartikelmessung möglich, welche die Extraktion von Informationen über den Partikel 12 wie Größe und Geschwindigkeit ermöglicht. Als Fotodiode 26.1 kommt beispielsweise ein kostengünstiger SiPM (Silicon photomultiplier) oder eine SPAD-Diode (single-photon avalanche diode) infrage. Alternativ kann der Detektor auch einen MPPC (Multi-Pixel-Photon-Counter) umfassen.
Als Folge kann bereits ein von einem besonders kleinen Partikel erzeugtes und daher extrem kleines Lichtsignal, das beispielsweise von wenigen 10 Photonen gebildet wird, detektiert werden. Damit sinken die Abmessungen von Partikeln, die gerade noch nachweisbar sind, auf eine untere Nachweisgrenze von bis zu10nm ab.
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 Blockschaltbild einer möglichen Ausführungsform des
Partikelsensors 16. Man erkennt zunächst den Lasermodul 18, der das Laserlicht 10 emittiert. Das Laserlicht 10 wird durch eine Linse 29 zunächst zu einem parallelen Strahl geformt, der durch einen Strahlteiler beispielsweise in Form eines Beamsplitters oder eines dichroitischen Spiegels 30 hindurchtritt. Von dort gelangt er zum optischen Element 20 bzw. der Linse 24 und weiter in fokussierter Form zum Spot 22.
Temperaturstrahlung 14 (gestrichelte Pfeile) eines im Spot 22 durch das
Laserlicht 10 angeregten Partikels 12 gelangt wiederum durch die Linse 24 zurück zum dichroitischen Spiegel 30, wo sie vorliegend beispielhaft um 90° abgelenkt wird, durch eine Fokussierlinse 31 hindurchtritt und durch einen Filter 32 (dieser ist nicht zwingend vorhanden) zur Fotodiode 26.1 des Detektors 26 gelangt (grundsätzlich denkbar ist auch, dass die Temperaturstrahlung zuerst durch ein Filter und dann durch eine Fokussierlinse hindurchtritt). Der Filter 32 ist so ausgebildet, dass er die Wellenlängen des Laserlichts 10 ausfiltert. Durch den Filter 32 wird also der störende Background reduziert. Das den Filter 32 aufweisende Ausführungsbeispiel nutzt spezifisch die schmale Bandbreite von Laserquellen (z.B. Laserdioden) aus, indem genau diese schmale Bandbreite vor dem Detektor 26 ausgefiltert wird. Denkbar ist auch die Verwendung eines einfachen Kantenfilters. Das Signal-to-Noise-Ratio verbessert sich dadurch.
Figur 4 zeigt stärker im Detail ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines Partikelsensors 16, der sich für den Einsatz als Rußpartikelsensor im Abgas eines Verbrennungsprozesses, beispielsweise in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, eignet. Das Abgas bildet insoweit ein Beispiel eines mit einer bestimmten Geschwindigkeit strömenden Fluids, dass Partikel enthält.
Der Partikelsensor 16 weist eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr 44 und einem inneren Schutzrohr 46 auf. Die beiden Schutzrohre 44, 46 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 48 ausgerichtet sind. Das innere Schutzrohr 46 ragt in Richtung der Achsen über das äußere Schutzrohr 44 hinaus in das strömende Abgas 48 hinein. An dem vom strömenden Abgas 48 abgewandten Ende der beiden Schutzrohre 44, 46 ragt das äußere Schutzrohr 44 über das innere Schutzrohr 46 hinaus. Die lichte Weite des äußeren Schutzrohrs 44 ist bevorzugt so viel größer als der äußere Durchmesser des inneren Schutzrohrs 46, dass sich zwischen den beiden Schutzrohren 44, 46 ein erster Strömungsquerschnitt ergibt. Die lichte Weite des inneren Schutzrohrs 46 bildet einen zweiten
Strömungsquerschnitt.
Diese Geometrie hat zur Folge, dass Abgas 48 über den ersten
Strömungsquerschnitt in die Anordnung der beiden Schutzrohre 44, 46 eintritt, dann an dem vom Abgas 48 abgewandten Ende der Schutzrohre 44, 46 seine Richtung ändert, in das innere Schutzrohr 46 eintritt und aus diesem vom vorbeiströmenden Abgas 48 herausgesaugt wird (Pfeile mit dem Bezugszeichen 49). Dabei ergibt sich im inneren Schutzrohr 46 eine laminare Strömung. Diese Anordnung von Schutzrohren 44, 46 wird mit dem Rußpartikelsensor 16 quer zur Strömungsrichtung des Abgases 48 an bzw. in einem Abgasrohr (nicht gezeichnet) befestigt.
Der Rußpartikelsensor 16 weist darüber hinaus der Laser 18 auf, das bevorzugt, wie vorliegend dargestellt, paralleles Laserlicht 10 erzeugt. Im Strahlengang des parallelen Laserlichtes 10 befindet sich der Strahlteiler in Form des bereits oben beispielhaft erwähnten dichroitischen Spiegels 30. Ein den Strahlteiler 30 ohne Umlenkung durchlaufender Teil des Laserlichtes 10 wird durch das optische Element 20 zu dem sehr kleinen Spot 22 im Inneren des inneren Schutzrohrs 46 fokussiert. In diesem Spot 22 ist die Lichtintensität hoch genug, um die mit dem Abgas 48 mit der Geschwindigkeit der Strömung im inneren Schutzrohr (Pfeil 49) transportierten Partikel 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, ist jedoch nicht auf diesen
Spektralbereich beschränkt.
Ein Teil dieser ungerichtet in Form von Temperaturstrahlung emittierten
Strahlung 14 ("LI I-Licht") wird von dem optischen Element 20 erfasst und über den Strahlteiler 30 abgelenkt und über die Linse 31 und den Filter 32 auf den Detektor 26 gerichtet. Dieser Aufbau hat den besonders wichtigen Vorteil, dass nur ein einziger optischer Zugang zum Abgas 48 benötigt wird, da die selbe Optik, insbesondere das selbe optische Element 20 mit der Linse 24 für die Erzeugung des Spots 22 und für das Erfassen der vom Partikel 12 ausgehenden Temperaturstrahlung 14 benutzt wird.
Beim Gegenstand der Figur 4 weist der Laser 18 eine Laserdiode 50 und eine Linse 52 auf, die das von der Laserdiode 50 ausgehende Laserlicht 10 parallel ausrichtet. Der Einsatz der Laserdiode 50 stellt eine besonders kostengünstige und einfach handhabbare Möglichkeit der Erzeugung von Laserlicht 10 dar. Das parallele Laserlicht 10 wird durch das optische Element 20 zum Spot 22 fokussiert.
Der Partikelsensor 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 Partikelsensors 16 enthält. Beide Teile sind durch eine Trennwand 16.3 getrennt, die zwischen den Schutzrohren 44, 46 und den optischen Elementen des Partikelsensors 16 verläuft. Die Wand 16.3 dient der Isolation der empfindlichen optischen Elemente von dem heißen, chemisch aggressiven und„schmutzigen“ Abgas 48. In der Trennwand 16.3 ist im
Strahlengang des Laserlichtes 10 ein Schutzfenster 54 angebracht, durch das hindurch das Laserlicht 10 in das Abgas 48 bzw. die Strömung 49 einfällt und über das vom Spot 22 ausgehende Temperaturstrahlung 14 auf das optische Element 20 und von da aus über den Strahlteiler 30 und den Filter 32 auf den Detektor 26 einfallen kann. Denkbar ist auch, dass besonders empfindliche Komponenten des Partikelsensors, beispielsweise der Laser und der Detektor, in einem separaten Gehäuse untergebracht sind, und dass für den Transport des Laserlichts und/oder der Temperaturstrahlung zu/von den beim Abgas angeordneten optischen Komponenten beispielsweise Lichtwellenleiter beispielsweise in Form einer oder mehrerer Glasfasern verwendet werden.
Der Partikelsensor 16 kann ferner eine Auswerteeinrichtung 56 aufweisen, welche dazu programmiert ist, auf der Basis der Signale des Detektors 26 eine Auswertung des vom Detektor 26 bereitgestellten und die erfasste
Temperaturstrahlung charakerisierenden Größe durchzuführen. Hierzu verfügt die Auswerteeinheit 56 über nicht weiter dargestellte Komponenten,
beispielsweise einen Mikroprozessor und ein elektrisches Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm zur Ausführung eines hiernach erläuterten
Verfahrens abgespeichert ist.
Zunächst wird auf die Figuren 5 und 6 Bezug genommen. In diesen ist die bereits oben erwähnte und vom Detektor 26 bereitgestellte Größe, welche die Intensität der vom Detektor 26 erfassten Temperaturstrahlung 14 charakterisiert, über der Zeit t aufgetragen. Die bereitgestellte Größe, nachfolgend als "Messsignal" bezeichnet, trägt in den Figuren insgesamt das Bezugszeichen 58. Ein Wert des Messsignals 58 ist mit S bezeichnet. Man erkennt, dass das Messsignal 58 eine kontinuierliche Größe ist, die jedoch in sich wellen- bzw. zickzackförmig verläuft, was einem Rauschen entspricht.
Wenn ein Partikel Temperaturstrahlung 14 emmitiert, steigt das das ansonsten auf einem konstanten niedrigen Niveau verharrende Messsignal 58 auf einen erhöhten Wert (Maximum Smax) an und fällt danach wieder ab. Eine
Halbwertsbreite (englisch: FWHM bzw. Full Width at Half Maximum) ist in den Figuren durch einen Doppelpfeil mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnet. Durch rechteckige Kästen sind in den Figuren 5 und 6 Zeitintervalle bezeichnet, welche die Bezugszeichen 62a, 62b und 62c tragen. Vorliegend sind beispielhaft nur drei Zeitintervalle 62a-c gezeichnet. Tatsächlich exisitiert jedoch eine nahezu unbegrenzte Folge von Zeitintervallen. Eine Dauer 64 der Zeitintervalle 62a-c ist dabei vorliegend größer als die Halbwertsbreite 60. Sie beträgt vorliegend ungefähr das 1 ,5-fache der Halbwertsbreite 60. Man erkennt ferner aus den Figuren 5 und 6, dass sich die Zeitintervalle 62a-c überlappen. Ein Überlappungszeitraum 66 zwischen aufeinanderfolgenden Zeitintervallen 62a und 62b bzw. 62b und 62c ist konstant und beträgt vorliegend ca. 75 % einer Dauer 64 eines Zeitintervalls 62a-c, ist also größer als die Hälfte der Dauer 64 eines Zeitintervalls 62a-c.
Die Dauer 64 der Zeitintervalle 62a-c ist vorliegend variabel. Sie hängt ab von der erwarteten Halbwertsbreite 60. Die erwartete Halbwertsbreite 60 wiederum hängt ab von der aktuellen Geschwindigkeit der Strömung 49 des Abgases 48 im Spot 22 und somit von der erwarteten möglichen Verweildauer eines Partikels 12 im Spot 22. Die Geschwindigkeit der Strömung 49 des Abgas 48 im inneren Schutzrohr 46 kann wiederum bei dem vorliegend beispielhaft beschriebenen Anwendungsfall einer Brennkraftmaschine anhand des aktuellen
Betriebszustands der Brennkraftmaschine ermittelt oder zumindest abgeschätzt werden, beispielsweise anhand einer aktuellen Drehzahl und eines aktuellen Drehmoments und anhand der Geometrie des äußeren Schutzrohrs 44 und des inneren Schutzrohrs 46.
Es ist auch denkbar, die erwartete FWHM aus den Signalen von großen, zeitlich benachbart auftretenden Partikeln zu bestimmen, welche eine hohe SNR (signal- to-noise-ratio) haben und damit nicht so sehr auf das hier beschriebene
Verfahren angewiesen sind.
Die Abhängigkeit der Halbwertsbreite 60 und somit auch der Dauer 64 der Zeitintervalle 62a-c von der Geschwindigkeit der Strömung 49 des Abgases 48 ist derart, dass bei einer vergleichsweise geringen Geschwindigkeit der
Strömung 49 des Abgases 48 die erwartete Halbwertsbreite 60 und somit auch die Dauer 64 eher groß ist (Figur 5), wohingegen bei einer vergleichsweise hohen Geschwindigkeit der Strömung 49 des Abgases 48 die erwartete
Halbwertsbreite 60 und somit auch die Dauer 64 eher klein ist (Figur 6).
Eine Auswertung des Messsignals 58 erfolgt jeweils immer nur innerhalb eines Zeitintervalls 62a-c. Bei der Auswertung wird beispielsweise ein Integral des Messsignals 58 innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls 62a-c gebildet, also die Fläche unterhalb von dem Messsignal 58 innerhalb der Grenzen des jeweiligen Zeitintervalls 62a-c berechnet. Dieses Integral ("Integralwert") ist somit eine aus der Größe, die die Temperaturstrahlung 14 charakterisiert, ermittelte Größe. Der für jedes Zeitintervall 62a-c erhaltene Integralwert wird dann mit einem
Grenzwert verglichen. Ein Partikel 12 gilt dann als detektiert, wenn der
Integralwert den Grenzwert erreicht oder überschreitet.
Eine alternative Art der Auswertung ist in den Figuren 7 und 8 gezeigt. Dort werden keine überlappenden, sondern aufeinanderfolgende und unmittelbar aneinander anschließende Zeitintervalle 62a-c verwendet. Wiederum wird das Messsignal 58 ausgewertet, indem innerhalb von jedem Zeitintervall 62a-c das Integral unter dem Messsignal 58 gebildet wird. Ein Partikel 12 gilt dann als detektiert, wenn innerhalb von mindestens zwei unmittelbar
aufeinanderfolgenden Zeitintervallen, vorliegend beispielhaft innerhalb von drei unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeitintervallen 62a-c der jeweilige Integralwert einen Grenzwert erreicht oder überschreitet. Grundsätzlich denkbar ist hierbei, dass für jedes der Zeitintervalle unterschiedliche Grenzwerte verwendet werden können.
Bei sämtlichen oben beschriebenen Verfahren kann der Grenzwert, bei dessen Erreichen bzw. Überschreiten auf das Vorhandensein eines Partikels 12 geschlossen wird, von einem erwarteten Hintergrundsignal (Rauschen) abhängen.
Die Figuren 5-8 betrafen eine Ausführungsform, bei der der Detektor 26 beispielhaft eine Fotodiode 26.1 umfasst, die ein kontinuierliches Messsignal 58 bereitstellt. Möglich ist aber auch (Figur 9), dass der Detektor 26 einen MPPC umfasst, der ein diskontinuierliches Messsignal in Form einer Anzahl von Einzel- Photonen-Pulsen 58 bereitstellt. In diesem Fall gilt ein Partikel 12 dann als detektiert, wenn die Anzahl der innerhalb eines Zeitintervalls 62 gezählten Einzel- Photonen-Pulse 58 einen Grenzwert erreicht oder überschreitet. Dabei wird auch hier die Breite des Zeitintervalls abhängig von der Geschwindigkeit des Fluids angepasst.
Das oben allgemein beschriebene Verfahren zur Detektion von Partikeln 12 wird nun nochmals unter Bezugnahme auf Figur 10 erläutert: nach dem Start in einem Block 68 wird in einem Block 70 ein von dem Laser 18 ausgehendes Laserlicht 10 in den Spot 22 gebündelt. In einem Block 72 wird Fluid, nämlich das Abgas 48, das Partikel 12 enthält, mittels der Strömung 49 durch den Spot 22 hindurch geleitet. In einem Block 74 wird die von dem Spot 22 ausgehende
Temperaturstrahlung 14 mittels des Detektors 26 erfasst. In einem Block 76 wird die Dauer 64 der Zeitintervalle 62a-c bestimmt, und zwar abhängig von einer in einem Block 78 bereitgestellten Geschwindigkeit der Strömung 49 des Abgases 48.
Der Detektor 26 stellt, wie oben erwähnt wurde, ein Messsignal 58 zur
Verfügung, welches insgesamt in einem gestrichelt gezeichneten Auswerteblock 80 ausgewertet wird. Im Einzelnen wird in einem Block 82 in jedem Zeitintervall 62a-c das unter dem Messsignal 58 liegende integral gebildet (bei einem kontinuierlichen Messsignal 58), bzw. es wird die Anzahl der innerhalb eines jeden Zeitintervalls 62 liegenden Einzel-Photonen-Pulse 58 ermittelt (bei einem diskontinuierlichen Messsignal 58). In einem Block 84 werden die ermittelten Integrale bzw. ermittelten Anzahlen mit einem Grenzwert verglichen. Wird der Grenzwert erreicht oder überschritten, wird im Block 86 von der Detektion eines Artikels 12 ausgegangen. Wird der Grenzwert dagegen nicht erreicht, wird im Block 88 davon ausgegangen, dass kein Partikel 12 detektiert wurde. Das Verfahren endet in einem Block 90.
Das Abgas 48 ist lediglich ein Beispiel eines möglichen Messgases. Das
Messgas kann auch ein anderes Gas oder Gasgemisch sein. Das Verfahren kann auch für andere Szenarios und Einsatzbereiche verwendet werden (z.B. bei Portable Emission Monitoring Systemen, Messung der Raumluftqualität,
Emissionen von Verbrennungsanlagen (privat, industriell)).
Bei dem gezeigten Partikelsensor kann das Laserlicht und/oder die
Temperaturstrahlung ganz oder teilweise auch mittels Lichtwellenleitern geleitet werden.
Zusätzlich denkbar wäre der Einsatz des Verfahrens bei beliebigen HV-Korona- Sensoren, welche die Partikel-/Aerosol-Konzentration in einem Gas messen sollen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Detektion von Partikeln (12) oder Aerosol in einem
strömenden Fluid (48, 49) unter Verwendung des Prinzips der
laserinduzierten Inkandeszenz, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:
a. Bündeln eines von einem Laser (18) ausgehenden Laserlichts (10) in einen Spot (22),
b. Leiten eines Fluids (48, 49), das Partikel (12) oder Aerosol enthält, durch den Spot (22),
c. Erfassen einer von dem Spot (22) ausgehenden Temperaturstrahlung (14) mittels eines Detektors (26),
d. Auswerten einer vom Detektor (26) bereitgestellten, die erfasste
Temperaturstrahlung (14) charakerisierenden Größe (58) innerhalb von Zeitintervallen (62), wobei die Dauer (64) der Zeitintervalle (46) von einer Geschwindigkeit des Fluids (48, 49) abhängt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens einige Zeitintervalle (62) überlappen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer (64) des Zeitintervalls (62) größer ist als ein erwartetes FWHM (60) der die Temperaturstrahlung charakerisierenden Größe (58), insbesondere ungefähr das 1- bis 2-fache, stärker bevorzugt ungefähr das 1 ,5-fache des erwarteten FWHM (60) beträgt.
4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Überlappungszeitraum (66) mindestens der Hälfte der Dauer (64) des Zeitintervalls (62) entpricht.
5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2-4, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Partikel (12) als detektiert gilt, wenn die die Temperaturstrahlung (14) charakterisierende oder eine hieraus ermittelte Größe innerhalb eines Zeitintervalls (62) einen Grenzwert oder mehrere unterschiedliche Grenzwerte mindestens erreicht.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens einige aufeinanderfolgende Zeitintervalle (62) nicht überlappen,
vorzugsweise unmittelbar aneinander anschließen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Partikel (12) als detektiert gilt, wenn innerhalb von mindestens zwei unmittelbar aufeinander folgenden Zeitintervallen (62) die die Temperaturstrahlung (14) charakterisierende oder eine hieraus ermittelte Größe einen Grenzwert mindestens erreicht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert von einem erwarteten Hintergrundsignal abhängt.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Temperaturstrahlung (14) charakerisierende Größe eine kontinuierliche Größe (58) ist und vorzugsweise aus ihr innerhalb des Zeitintervalls (62) ein Integral gebildet wird.
10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Temperaturstrahlung (14) charakerisierende Größe eine diskontinuierliche Größe (58) ist, die vorzugsweise durch pulsartige Signale gebildet wird, und dass vorzugsweise eine Summe der pulsartigen Signale (58) innerhalb des Zeitintervalls (62) gebildet wird.
1 1. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Fluids aus einer FWHM von bevorzugt großen Partikeln ermittelt wird, und dass diese ermittelte
Geschwindigkeit dann zur Bestimmung der Länge der Zeitintervalle für die Detektion der kleinen Partikel verwendet wird.
12. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
13. Elektrisches Speichermedium für eine Auswerteeinrichtung (56),
insbesondere zur Verwendung in einem Abgassystem einer
Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1-10 abgespeichert ist.
14. Zustandsmaschine, insbesondere in Form eines ASIC, dadurch
gekennzeichnet, dass sie zur Ausführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1-10 programmiert ist.
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