EP3914895A1 - Vorrichtung zur detektion von partikeln in einem fluid führenden bereich unter verwendung des prinzips der laserinduzierten inkandeszenz - Google Patents

Vorrichtung zur detektion von partikeln in einem fluid führenden bereich unter verwendung des prinzips der laserinduzierten inkandeszenz

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EP3914895A1
EP3914895A1 EP19809059.9A EP19809059A EP3914895A1 EP 3914895 A1 EP3914895 A1 EP 3914895A1 EP 19809059 A EP19809059 A EP 19809059A EP 3914895 A1 EP3914895 A1 EP 3914895A1
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EP
European Patent Office
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light guide
laser
light
guide device
laser light
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19809059.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Doering
Radoslav Rusanov
Michael Brozio
Sonja Knies
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3914895A1 publication Critical patent/EP3914895A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
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    • G01N15/14—Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers
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    • G01N15/14—Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers
    • G01N2015/1486—Counting the particles

Definitions

  • the invention relates to a device for the detection of particles in a fluid-carrying area using the principle of laser-induced
  • DE 10 2017 207 402 A1 discloses a device for the detection of particles in a fluid-carrying region using the principle of laser-induced incandescence in the form of a particle sensor.
  • Particles present in an exhaust gas area for example soot particles, are heated to several thousand degrees Celsius with a laser light focused on a laser light spot, so that they emit significant heat or temperature radiation. This thermally induced light emission of the particles is measured with a light detector.
  • the device according to the invention is based on the detection of particles in a fluid using the principle of laser-induced incandescence (LII). It should be pointed out at this point that particulates in particular soot particles and as fluids in particular the exhaust gas
  • Incinerator or internal combustion engine come into question. Basically, however, the device is generally suitable for the detection of particles and aerosols in any fluid. The concept enables both Determination of the mass (mg / m 3 or mg / km) and the number concentration (particles / m 3 or particles / km) of the particles. Also a measurement of the
  • the device can be used, for example, to monitor the condition of a particle filter in gasoline or diesel vehicles. It is also conceivable to use the device for other scenarios and areas of application (e.g. in portable emission monitoring systems, measurement of indoor air quality, emissions from
  • a particle is initially bundled with sufficient intensity using laser light, which emanates from a laser and is preferably bundled with a sufficiently high intensity in a laser light spot, that is to say a volume range with the smallest dimensions in the pm or nm range of the laser light is heated to several thousand degrees.
  • this hot particle emits a characteristic temperature radiation (incandescence or glow emission), which as
  • Measurement signal is used and received with a detector.
  • an optical element for example in the form of a focusing lens arranged in the beam path of the laser is used, which is designed and set up to bundle the laser light emanating from the laser in the very small laser light spot.
  • a focus diameter e.g. around 10 pm it can be assumed that at any given time only one particle will ever
  • Laser light spot flies through (intrinsic single particle detectability) if a particle concentration of approximately 10 1 ° -10 13 / m 3 is used as a basis.
  • the detector is set up and arranged such that it detects the temperature radiation emanating from the laser light spot.
  • Inexpensive semiconductor laser diodes can be used as lasers.
  • the temperature radiation can be detected, for example, using a multi-pixel photon counter (MPPC) or a silicon photon multiplier (SiPM).
  • MPPC multi-pixel photon counter
  • SiPM silicon photon multiplier
  • the device according to the invention comprises in particular: a laser source, a device for generating a laser light spot in the fluid-guiding region, and a detector for detecting a temperature radiation emanating from a particle located in the laser light spot. Furthermore, the device comprises at least one first light guide device and at least one second light guide device.
  • Such light guide devices include Usually transparent components such as fibers, tubes or rods that transport light over short or long distances. The light guide is achieved by reflection at the interface of the light guide devices either by total reflection due to a lower refractive index of the medium surrounding the light guide or by mirroring the interface.
  • the first light guide device is arranged between the laser source and the laser light spot in such a way that it guides the laser light and not the thermal radiation, at least in certain areas, and the second
  • the light guide device is arranged between the laser light spot and the detector in such a way that it, in particular, at least in regions
  • Coupling of temperature radiation into the first light guide device and for coupling laser light into the second light guide device can occur. Nevertheless, the laser light is largely conducted through the first light guide device and the thermal radiation is largely conducted through the second light guide device.
  • the invention also allows the temperature radiation to be “collected” better, as a result of which the signal noise (“signal-to-noise ratio” or “SNR”) is reduced. Due to the high conduction efficiency of light guide devices, the sensitive optical elements of the device, for example the
  • the laser source and the detector are arranged relatively far away from the region carrying the thermally and often also chemically highly stressed fluid, as a result of which the mechanical and thermal stability of the device is improved.
  • the first light guide device and the second light guide device are arranged at least in regions coaxially to one another. Such a coaxial arrangement saves space and allows a simple and flexible arrangement of the two light guide devices.
  • the first light guide device which conducts the laser light is arranged radially on the inside and the second light guide device which conducts the thermal radiation is arranged radially on the outside.
  • Temperature radiation emanating from a particle in the laser light spot is made possible, and at the same time the formation of an at least essentially point-shaped laser light spot is facilitated by the inner first light guide device.
  • the total light-guiding cross-section of the first light-guiding device is smaller than the total light-guiding cross-section of the second light-guiding device. This takes into account the fact that the intensity of the temperature radiation emitted by a particle located in the laser light spot and which can be coupled into the second light guide device is usually considerably lower than the intensity of the laser light to be transported by the first light guide device.
  • Thermal radiation is thus provided with a larger cable cross-section and thus also has a favorable influence on the signal noise.
  • At least one of the two light guide devices comprises a bundle of individual light guides.
  • the SCU sensor control unit
  • the laser source and the detector and possibly also further electronic elements are arranged; in the most favorable case, any so-called “Free beam optics ”, for example beam splitters etc., can be dispensed with. This considerably reduces the set-up effort, the so-called “adjustment”.
  • the light-guiding cross section of an individual light guide of the second light guide device is larger than the light-guiding cross section of the light guide of the first light guide device.
  • each light guide of the bundle of light guides has its own cladding. This increases the mechanical stability and the efficiency of the light guide.
  • end regions of the two light guide devices which point away from the laser light spot are spaced apart from one another, the end region of the first light guide device of the laser source and the end region of the second light guide device Detector is assigned.
  • the end region of the second light guide device pointing away from the laser light spot directs the temperature radiation directly to the detector without the interposition of a lens. This saves costs again and becomes mechanical again
  • the light guide device and the second light guide device are designed as a coaxial and preferably jointly produced (“drawn”) double clad fiber.
  • a double clad fiber is a glass fiber that consists of at least a core glass and a cladding glass, the cladding glass enclosing the core glass.
  • DCF double clad fiber
  • the first light guide device is preferably formed by the core glass and the second light guide device by the cladding glass.
  • Such a double clad fiber is extremely robust and leads to a simplified topology of the device, since ultimately only one
  • one-piece fiber is used.
  • at least one first lens is arranged between an end of the two light guide devices pointing towards the laser light spot and the laser light spot, which lens
  • Coupled temperature radiation in the second light guide device Such a lens (“coupling-in and coupling-out lens”) thus ensures both the coupling out of the laser light and the coupling in of the thermal radiation, thereby reducing the costs and the required installation space.
  • At least one second lens is arranged between the first lens and the laser light spot, which has a larger diameter than the first lens and is preferably designed as an aspherical lens.
  • Light guide devices are realized by a single, one-piece or multi-piece glass body. As a result, the mechanical robustness of the device is again significantly improved. It should be pointed out here that the realization of the optical elements by the said glass body represents an independent invention that can be claimed independently of the realization of the light transport by the light guide devices mentioned above.
  • Figure 1 is a schematic representation of the structure of a device for
  • Figure 2 is an enlarged view of the two light guide devices of Figure 1;
  • Figure 3 shows a section through the two light guide devices of Figure 2;
  • Figure 4 is a further schematic representation of the device of Figure 1;
  • Figure 5 is a representation similar to Figure 4 of a modified
  • FIG. 6 shows a schematic section through an alternative embodiment of optical components of the device from FIG. 1;
  • Figure 8 is a schematic side view of the light guide devices of
  • FIG. 9 is a partial section through the light guide devices of the figures
  • Figure 10 is a representation similar to Figure 9 a modified
  • FIG. 1 shows a possible embodiment of a device for the detection of particles in a fluid-carrying region using the principle of laser-induced incandescence, specifically in the form of a particle sensor 10.
  • the laser 12 can in particular have a laser diode, which is very inexpensive.
  • the laser light 10 initially becomes one through a lens 16 (“collimation lens”) parallel beam formed, which passes through a beam splitter 18, for example in the form of a beam splitter or a dichroic mirror. From there it arrives in a manner to be explained below
  • a laser light spot 22 becomes a volume element with very small
  • High-intensity laser light 14 can strike a particle 24 present in the laser light spot 22, for example a soot particle in an exhaust gas stream 36 of an internal combustion engine.
  • the intensity of the laser light 14 in the laser light spot 22 is so high that the energy of the laser light 14 absorbed by the particle 24 heats the particle 24 to several thousand degrees Celsius (only in the volume of the laser light spot 22 does the intensity of the laser light 14 reach that for laser-induced incandescence (LI I) necessary high values).
  • LI I laser-induced incandescence
  • Preferred direction significant temperature radiation 26 also referred to as LII light. Part of the temperature radiation 26 is therefore also
  • the temperature radiation 26 is, for example, in the near infrared and visible spectral range, but is not restricted to this spectral range.
  • the laser 12, the lens 16, the beam splitter 18 and the focusing lens 20 form a device 27 for generating the laser light spot 22.
  • the temperature radiation 26 of a particle 24 excited in the laser light spot 22 by the laser light 14 in turn passes through the focusing lens 20 back to the beam splitter 18, where it is deflected by 90 °, passes through a focusing lens 28 and through a filter 30 (this is not mandatory present) arrives at a detector 32.
  • the filter 30 is designed so that it
  • Wavelengths of the laser light 14 are at least largely filtered out, which is also radiated back to a small extent.
  • the interfering background is thus reduced by the filter 30. It is also conceivable to use a simple edge filter. This improves the signal-to-noise ratio.
  • the dimensions of the laser light spot 22 are preferably in the range of a few pm, in particular in the range of at most 100-200 pm, so that particles 24 passing through the laser light spot 22 are excited to emit evaluable radiation powers. As a result, it can be assumed that there is usually, depending on the gas concentration, at most one particle 24 in the laser light spot 22 and that a momentary one
  • Output signal 34 of the particle sensor 10 originates only from this at most one particle 24.
  • the output signal 34 is generated by the detector 32, which is arranged in the particle sensor 10 in such a way that it detects radiation 26, in particular temperature radiation, emanating from the particles 24 passing through the laser light spot 22.
  • the detector 32 preferably comprises a multi-pixel photon counter (MPPC) or a silicon photon multiplier (SiPM) or a SPAD diode (single-photon avalanche diode), which detects the temperature radiation 26 and this in the present case generated digital output signal 34 as an example.
  • MPPC multi-pixel photon counter
  • SiPM silicon photon multiplier
  • SPAD diode single-photon avalanche diode
  • the laser 12 is modulated or switched on and off (duty cycle ⁇ 100%).
  • the laser 12 is a CW laser. This enables the use of inexpensive semiconductor laser elements (laser diodes), which makes the complete particle sensor 10 cheaper and greatly simplifies the control of the laser module 12 and the evaluation of the output signal 34.
  • the use of pulsed lasers is not
  • exhaust gas is also symbolized by an arrow 36, as is generated, for example, in a combustion process, for example in the exhaust system of an internal combustion engine (diesel or gasoline) of a motor vehicle.
  • the particle sensor 10 has an arrangement of an outer protective tube 38 and an inner protective tube 40.
  • the axes of the protective tubes 38, 40 are aligned transversely to the flow of the exhaust gas 36.
  • the inner protective tube 40 protrudes in the direction of the axes beyond the outer protective tube 38 and into the flowing exhaust gas 36.
  • the outer protective tube 38 projects beyond the inner protective tube 40.
  • the clear width of the outer protective tube 38 is preferably so much larger than the outer diameter of the inner protective tube 40 that there is a first and present between the two protective tubes 38, 40 results in approximately circular flow cross-section.
  • the clear width of the inner protective tube 40 forms a second and in the present case circular flow cross section.
  • Flow cross section enters the arrangement of the two protective tubes 38, 40, then changes its direction at the end of the protective tubes 38, 40 facing away from the exhaust gas 36, enters the inner protective tube 40 and is sucked out of this by the exhaust gas 36 flowing past (arrows with the reference symbol 42 ). This results in a laminar flow in the inner protective tube 40.
  • This arrangement of protective tubes 38, 40 is attached transversely to the flow direction of the exhaust gas 36 on or in an exhaust pipe (not shown in FIG. 1).
  • the laser light spot 22 is located inside the inner protective tube 40.
  • the particle sensor 10 preferably has a first part 44 (protective tubes 38 and 40) which is exposed to the exhaust gas 36 and a second part 46 which is not exposed to the exhaust gas 36 and which contains the optical and electronic components of the particle sensor 10.
  • Part 44 is also referred to as the "sensor head”, part 46 also as the “SCU” ("sensor control unit").
  • the two parts 44 and 46 are by a first light guide device 48 and a second
  • Light guide device 50 connected to one another, which in the present case are arranged coaxially to one another, see also FIG. 2.
  • the first light guide device 48 is arranged radially on the inside and the second light guide device 50 is arranged radially on the outside.
  • the first light guide device 48 is arranged in such a way that it guides the laser light 14 from the second part 46 to the first part 44 of the particle sensor 10, and the second light guide device 50 is arranged in such a way that it particularly temperature radiation 26 leads from the first part 44 to the second part 46.
  • Light guide devices 48 and 50 arranged a lens 52, which is also used to decouple the temperature radiation 26 from the second light guide device 50 and forward the temperature radiation 26 to the beam splitter 18.
  • a coupling and decoupling lens 54 (also called a “collimation lens”) is arranged in the first part 44 between the two light guide devices 48 and 50 and the focusing lens 20, which also for coupling the temperature radiation 26 serves in the second light guide device 50.
  • the coupling and decoupling lens 54 thus forms a first lens, whereas the focusing lens 20 forms a second lens.
  • the two light guide devices 48 and 50 can be designed as a so-called “double clad fiber” 55.
  • a double-clad fiber is a glass fiber, which in the present case consists, for example, of a radially inner core glass 56 and a radially outer cladding glass 58, the cladding glass 58, which has an annular cross section in this respect, enclosing the core glass 56.
  • the two glasses 56 and 58 can be designed as a so-called “double clad fiber” 55.
  • DCF double-clad fiber
  • the first light guide device 48 is formed by the core glass 56 and the second light guide device 50 by the cladding glass 58. It can be seen from FIG. 3 that the overall light-guiding cross-section of the first light-guiding device 48 is significantly smaller than the light-guiding overall cross-section of the second light-guiding device 50.
  • the first light-guiding device 48 has a diameter in the range 3-15 pm, for example, and the second light-guiding device 50 has, for example
  • FIG. 4 shows the arrangement of the optical components in the beam path from the laser 12 to the first light guide device 48 and in the beam path from the second light guide device 50 to the detector 32 in the SCU 46 (“sensor control unit”).
  • the SCU is divided into two sections, namely a first section 62, in which the said optical components and the laser 12 and the detector 32 are arranged, and a second section 64, in which one for the control of the laser 12 and the processing of the output signal 34 of the detector 32 required electronics 66 is arranged.
  • the first lens 54 (single and
  • Decoupling lens and the second lens 20 are approximately the same size.
  • the focusing lens 20 is designed with a considerably larger diameter than the coupling-in and coupling-out lens 54, and it is preferably designed as an aspherical focusing lens 20. With such an embodiment, it would also be possible to completely dispense with the coupling and decoupling lens 54.
  • FIG. 6 shows an alternative embodiment of the optical elements 16, 18, 28 and 52 in the region of the laser 12 and detector 32.
  • the said optical elements 16, 18, 28 and 52 are realized by a single glass body 68, which in the present case is multi-piece . In an embodiment not shown, the glass body 68 could also be in one piece.
  • the glass body 68 comprises three partial bodies 68a-c.
  • the partial body 68a comprises, on the left towards the detector 32, a section which is convex when viewed from the outside and which forms the focusing lens 28.
  • the glass body 68a has a straight incline, which forms the beam splitter 18.
  • the partial body 68b comprises, toward the laser 12, a section which is convex when viewed from the outside and which forms the collimation lens 16.
  • the partial body 68c has a section which is convex as seen from the beam splitter 18 and which contains the inputs and
  • Decoupling lens 52 forms.
  • An inner area 68d between the partial bodies 68a-c is hollow, so that the one required for refraction or reflection
  • the partial bodies 68a-c form the glass body 68 which is approximately square overall in the sectional view of FIG. 6.
  • FIGS 7-10 show a device 10 with an alternative
  • Light guide device 50 As can be seen from Figure 7, the two are
  • Light guide devices 48 and 50 are formed as bundles of individual glass fiber light guides 70ag.
  • the first light guide device 48 is formed by the light guide 70a central in the cross-sectional view of FIG. 7, whereas the second light guide device 50 is formed by the light guides 70b-g arranged uniformly distributed in the circumferential direction around the central light guide 70a.
  • Each light guide 70a-g has a glass core 72 and a cladding 74, the corresponding reference numerals in FIG. 7 being shown only for the light guide 70c for reasons of clarity.
  • the inner centric light guide 70a has a significantly smaller diameter than the outer light guides 70b-g.
  • the inner centric light guide 70a has a diameter in the range of approximately 3-15 pm, whereas the outer light guides 70b-g have a diameter in the range of approximately 50-350 pm.
  • the inner light guide 70a serves to guide the laser light 14 from the laser 12 towards
  • Laser light spot 22 whereas the outer light guides 70b-g Conduct temperature radiation 26 from the laser light spot 22 in the direction of the detector 32.
  • the bundle of individual light guides 70a-g is dissolved in the area of the laser 12 and the detector 32 to the extent that an end region 76 of the central light guide 70a is detached from the bundle of light guides 70a-g and at a distance from them other light guides 70b-g is guided to the laser 12, so that this end region 76 is assigned directly to the laser 12 and only to the laser 12.
  • the end region 78 of the remaining bundle of light guides 70b-g is guided at a corresponding distance from the end region 76 to the detector 32, so that this end region 78 is assigned directly to the detector 32 and only to the detector 32. It can also be seen from FIG.
  • any free-beam optics for example beam splitter, focusing lens, etc.
  • the temperature radiation 26 emerges at the ends of the light guides 70b-g facing the detector 32, and the
  • Thermal radiation 26 then reaches detector 32 directly via filter 30.
  • FIGS. 9 and 10 differ with regard to the design of the sensor head 44.
  • the coupling-in and coupling-out lens 54 is significantly smaller than the focusing lens 20, which directs the laser light 14 onto the laser light spot 22 focused.
  • the coupling-in and coupling-out lens 54 can be realized as an aspherical lens, as a result of which better coupling-in and coupling-out is possible. In principle, it would even be conceivable that the coupling and uncoupling lens 54 is dispensed with entirely. Similar to FIG. 6, in the configuration of the sensor head 44 from FIG. 10, the coupling and decoupling lenses 54 and

Abstract

Eine Vorrichtung (10) dient zur Detektion von Partikeln (24) in einem Fluid (36) führenden Bereich (40) unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz, wobei die Vorrichtung (10) umfasst: eine Laserquelle (12), eine Einrichtung (27) zum Erzeugen eines Laserlicht-Spots (22) in dem Fluid führenden Bereich (40), und einen Detektor (32) zum Erfassen einer Temperaturstrahlung (26), die von einem in dem Laserlicht-Spot (22) befindlichen Partikel (24) ausgeht. Es wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung (10) mindestens eine erste Lichtleitereinrichtung (48) und mindestens eine zweite Lichtleitereinrichtung (50) umfasst, wobei die erste Lichtleitereinrichtung (48) zwischen der Laserquelle (12) und dem Laserlicht-Spot (22) so angeordnet ist, dass sie wenigstens bereichsweise das Laserlicht (14) leitet, und wobei die zweite Lichtleitereinrichtung (50) zwischen dem Laserlicht-Spot (22) und dem Detektor (32) so angeordnet ist, dass sie wenigstens bereichsweise die Temperaturstrahlung (26) leitet.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Fluid führenden Bereich unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Fluid führenden Bereich unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten
Inkandeszenz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 10 2017 207 402 A1 ist eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Fluid führenden Bereich unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz in Form eines Partikelsensors bekannt. Dabei werden in einem Abgas führenden Bereich vorhandene Partikel, beispielsweise Rußpartikel, mit einem auf einen Laserlicht-Spot fokussierten Laserlicht 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.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung basiert auf der Detektion von Partikeln in einem Fluid unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz (LII). Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass als Partikel insbesondere Rußpartikel und als Fluid insbesondere das Abgas einer
Verbrennungsanlage oder Brennkraftmaschine infrage kommen. Grundsätzlich eignet sich die Vorrichtung jedoch zur Detektion ganz allgemein von Partikeln und Aerosolen in jeglichem Fluid. Das Konzept ermöglicht sowohl die Bestimmung der Massen- (mg/m3 bzw. mg/km) als auch der Anzahlkonzentration (Partikel/m3 oder Partikel/km) der Partikel. Auch eine Messung der
Partikelgrößenverteilung wird möglich. Die Vorrichtung kann beispielhaft zur Zustandsüberwachung eines Partikelfilters bei Benzin- oder Dieselfahrzeugen eingesetzt werden. Ebenso ist eine Verwendung der Vorrichtung für andere Szenarien und Einsatzbereiche denkbar (z.B. bei Portable Emission Monitoring Systemen, Messung der Raumluftqualität, Emissionen von
Verbrennungsanlagen).
Bei dem Prinzip der laserinduzierten Inkandeszenz wird zunächst mit Laserlicht, welches von einem Laser ausgeht und vorzugsweise in einem Laserlicht-Spot, also einem Volumenbereich mit kleinsten Abmessungen im pm- oder nm- 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.
Zu diesem Zweck wird beispielsweise ein im Strahlengang des Lasers angeordnetes optisches Element (beispielsweise in Form einer Fokussierlinse) verwendet, das dazu ausgebildet und eingerichtet ist, das von dem Laser ausgehende Laserlicht in dem sehr kleinen Laserlicht-Spot zu bündeln. Bei einem Fokusdurchmesser von z.B. ungefähr 10 pm kann davon ausgegangen werden, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt immer nur ein Partikel den
Laserlicht-Spot durchfliegt (intrinsische Einzelpartikel-Detektierbarkeit), wenn man eine Partikelkonzentration von ungefähr 101°-1013/m3 zu Grunde legt. Der Detektor ist so eingerichtet und angeordnet, dass er die vom Laserlicht-Spot ausgehende Temperaturstrahlung detektiert. Als Laser können kostengünstige Halbleiterlaserdioden eingesetzt werden. Die Detektion der Temperaturstrahlung kann z.B. mittels eines Multi-Pixel-Photon-Counters (MPPC) oder eines Silicon- Photon-Multipliers (SiPM) erfolgen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst insbesondere: eine Laserquelle, eine Einrichtung zum Erzeugen eines Laserlicht-Spots in dem Fluid führenden Bereich, und einen Detektor zum Erfassen einer Temperaturstrahlung, die von einem in dem Laserlicht-Spot befindlichen Partikel ausgeht. Ferner umfasst die Vorrichtung mindestens eine erste Lichtleitereinrichtung und mindestens eine zweite Lichtleitereinrichtung. Derartige Lichtleitereinrichtungen umfassen üblicherweise transparente Bauteile wie Fasern, Röhren oder Stäbe, die Licht über kurze oder lange Strecken transportieren. Die Lichtleitung wird dabei durch Reflexion an der Grenzfläche der Lichtleitereinrichtungen entweder durch Totalreflexion auf Grund eines geringeren Brechungsindex das den Lichtleiter umgebenden Mediums oder durch Verspiegelung der Grenzfläche erreicht.
Die erste Lichtleitereinrichtung ist zwischen der Laserquelle und dem Laserlicht- Spot so angeordnet, dass sie wenigstens bereichsweise insbesondere das Laserlicht und nicht die Temperaturstrahlung leitet, und die zweite
Lichtleitereinrichtung ist zwischen dem Laserlicht-Spot und dem Detektor so angeordnet, dass sie wenigstens bereichsweise insbesondere die
Temperaturstrahlung und nicht das Laserlicht leitet. Es werden also einerseits für die Leitung des Laserlichts und andererseits für die Leitung der
Temperaturstrahlung unterschiedliche Lichtleitereinrichtungen verwendet. Dabei ist jedoch an dieser Stelle darauf hinzuweisen, dass es in der Praxis fast unmöglich ist, in der einen Lichtleitereinrichtung wirklich ausschließlich Laserlicht und in der anderen Lichtleitereinrichtung wirklich ausschließlich
Temperaturstrahlung zu leiten, da es insbesondere durch Streuung zur
Einkopplung Temperaturstrahlung in die erste Lichtleitereinrichtung und zur Einkopplung von Laserlicht in die zweite Lichtleitereinrichtung kommen kann. Gleichwohl wird durch die erste Lichtleitereinrichtung weit überwiegend das Laserlicht geleitet, und durch die zweite Lichtleitereinrichtung wird weit überwiegend die Temperaturstrahlung geleitet.
Durch die besondere Topologie der Vorrichtung und insbesondere die
Verwendung und die Anordnung der genannten Lichtleitereinrichtungen wird der Aufbau der Vorrichtung erheblich vereinfacht, beispielsweise durch eine
Reduktion der erforderlichen optischen Komponenten, was insbesondere den Einstellungsaufwand („Justage“) vor einer Inbetriebnahme reduziert. Auch kann durch die Erfindung die Temperaturstrahlung besser„eingesammelt“ werden, wodurch das Signalrauschen („signal-to-noise-ratio" oder "SNR") reduziert wird. Aufgrund der hohen Leitungseffizienz von Lichtleitereinrichtungen können die empfindlichen optischen Elemente der Vorrichtung, beispielsweise die
Laserquelle und der Detektor, relativ weit entfernt von dem thermisch und oft auch chemisch hoch belasteten Fluid führenden Bereich angeordnet werden, wodurch die mechanische und thermische Stabilität der Vorrichtung verbessert wird. Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Lichtleitereinrichtung und die zweite Lichtleitereinrichtung wenigstens bereichsweise koaxial zueinander angeordnet sind. Eine solche koaxiale Anordnung ist platzsparend und gestattet eine einfache und flexible Anordnung der beiden Lichtleitereinrichtungen.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die das Laserlicht leitende erste Lichtleitereinrichtung radial innen und die die Temperaturstrahlung leitende zweite Lichtleitereinrichtung radial außen angeordnet ist. Durch die somit insgesamt in etwa ringförmige äußere zweite Lichtleitereinrichtung wird insbesondere eine sehr einfache Einkopplung der ungerichteten
Temperaturstrahlung, die von einem Partikel im Laserlicht-Spot ausgeht, ermöglicht, und gleichzeitig wird durch die innere erste Lichtleitereinrichtung die Bildung eines wenigstens im Wesentlichen punktförmigen Laserlicht-Spots erleichtert.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der lichtleitende Gesamtquerschnitt der ersten Lichtleitereinrichtung kleiner ist als der lichtleitende Gesamtquerschnitt der zweiten Lichtleitereinrichtung. Hierdurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die Intensität der von einem im Laserlicht-Spot befindlichen Partikel emittierten und in die zweite Lichtleitereinrichtung einkoppelbaren Temperaturstrahlung meist erheblich kleiner ist als die Intensität des von der ersten Lichtleitereinrichtung zu transportierenden Laserlichts. Für die
Temperaturstrahlung wird somit ein größerer Leitungsquerschnitt zur Verfügung gestellt und damit ebenfalls das Signalrauschen günstig beeinflusst.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass mindestens eine der beiden Lichtleitereinrichtungen ein Bündel einzelner Lichtleiter umfasst. In der SCU („sensor control unit“), also einer Einheit, in der die Laserquelle und der Detektor und gegebenenfalls auch weitere elektronische Elemente angeordnet sind, sind in einem solchen Fall weniger optische Elemente erforderlich, im günstigsten Fall kann sogar auf jegliche sogenannte„Freistrahloptik“, beispielsweise Strahlteiler etc., verzichtet werden. Hierdurch wird der Einrichtungsaufwand , also die sogenannte„Justage“, erheblich verringert.
Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass der lichtleitende Querschnitt eines einzelnen Lichtleiters der zweiten Lichtleitereinrichtung größer ist als der lichtleitende Querschnitt des Lichtleiters der ersten Lichtleitereinrichtung. Wie bereits oben ausgeführt wurde, wird auf diese Weise der intensitätsschwächeren Temperaturstrahlung ein größerer Querschnitt für die Lichtleitung zur Verfügung gestellt als dem intensitätsstärkeren Laserlicht, wodurch das Signalrauschen günstig beeinflusst wird.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass jeder Lichtleiter des Bündels von Lichtleitern ein eigenes Cladding aufweist. Dies erhöht die mechanische Stabilität und den Wirkungsgrad der Lichtleitung.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass vom Laserlicht-Spot weg weisende Endbereiche der beiden Lichtleitereinrichtungen, von denen vorzugsweise mindestens eine durch ein Bündel einzelner Lichtleiter gebildet ist, voneinander beabstandet sind, wobei der Endbereich der ersten Lichtleitereinrichtung der Laserquelle und der Endbereich der zweiten Lichtleitereinrichtung dem Detektor zugeordnet ist. Somit kann auf einen Strahlteiler („Beamsplitter“), der ansonsten erforderlich ist, um die Temperaturstrahlung aus der vom Laserlicht-Spot zurückgestrahlten Gesamtstrahlung herauszuteilen und zum Detektor zu leiten, verzichtet werden, wodurch Kosten gespart werden und die gesamte Vorrichtung mechanisch noch robuster wird..
Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass der vom Laserlicht-Spot weg weisende Endbereich der zweiten Lichtleitereinrichtung die Temperaturstrahlung direkt und ohne Zwischenschaltung einer Linse zu dem Detektor leitet. Hierdurch werden nochmals Kosten gespart und wird nochmals die mechanische
Robustheit der Vorrichtung erhöht.
Bei einer alternativen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste
Lichtleitereinrichtung und die zweite Lichtleitereinrichtung als eine koaxiale und vorzugsweise gemeinsam hergestellte („gezogene“) Double-Clad-Faser ausgebildet sind. Eine Double-Clad-Faser (DCF) ist eine Glasfaser, die mindestens aus einem Kernglas und einem Mantelglas besteht, wobei das Mantelglas das Kernglas umschließt. Meist haben die beiden Gläser
unterschiedliche Brechungsindizes. Dabei wird die erste Lichtleitereinrichtung vorzugsweise durch das Kernglas und die zweite Lichtleitereinrichtung durch das Mantelglas gebildet. Eine solche Double-Clad-Faser ist äußerst robust und führt zu einer vereinfachten Topologie der Vorrichtung, da letztlich nur eine
einstückige Faser verwendet wird. Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass zwischen einem zum Laserlicht-Spot hin weisenden Ende der beiden Lichtleitereinrichtungen und dem Laserlicht-Spot mindestens eine erste Linse angeordnet ist, welche das
Laserlicht aus der ersten Lichtleitereinrichtung auskoppelt und die
Temperaturstrahlung in die zweite Lichtleitereinrichtung einkoppelt. Eine solche Linse („Ein- und Auskoppellinse“) sorgt somit sowohl für die Auskopplung des Laserlichts als auch die Einkopplung der Temperaturstrahlung, wodurch die Kosten sowie der erforderliche Bauraum reduziert werden.
Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Linse und dem Laserlicht-Spot mindestens eine zweite Linse angeordnet ist, welche einen größeren Durchmesser als die erste Linse aufweist und vorzugsweise als asphärische Linse ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass die erste Linse sehr viel kleiner sein kann und dadurch der Einsatz einer kleinen asphärischen Linse möglich wird, wodurch eine bessere Auskopplung des Laserlichts und eine bessere Einkopplung der Temperaturstrahlung möglich werden. Grundsätzlich denkbar ist dabei sogar, dass auf die erste Linse vollständig verzichtet wird, wodurch die Kosten nochmals erheblich reduziert werden, und auch der erforderliche Bauraum deutlich kleiner wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die optischen Elemente zwischen einerseits der Laserquelle und dem Detektor und andererseits den beiden
Lichtleitereinrichtungen durch einen einzigen, einstückigen oder mehrstückigen Glaskörper realisiert sind. Hierdurch wird die mechanische Robustheit der Vorrichtung nochmals deutlich verbessert. Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Realisierung der optischen Elemente durch den besagten Glaskörper eine eigenständige und von der Realisierung des Lichttransports durch die oben erwähnten Lichtleitereinrichtungen unabhängig beanspruchbare Erfindung darstellt.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine schematisierte Darstellung des Aufbaus einer Vorrichtung zur
Detektion von Partikeln in einem Fluid führenden Bereich unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz in Form eines Partikelsensors, mit einer ersten Ausführungsform einer ersten Lichtleitereinrichtung und einer zweiten Lichtleitereinrichtung; Figur 2 eine vergrößerte Darstellung der beiden Lichtleitereinrichtungen von Figur 1 ;
Figur 3 einen Schnitt durch die beiden Lichtleitereinrichtungen von Figur 2;
Figur 4 eine weiter schematisierte Darstellung der Vorrichtung von Figur 1 ;
Figur 5 eine Darstellung ähnlich zu Figur 4 einer abgewandelten
Ausführungsform;
Figur 6 einen schematischen Schnitt durch eine alternative Ausgestaltung optischer Komponenten der Vorrichtung von Figur 1 ;
Figur 7 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform von zwei
Lichtleitereinrichtungen;
Figur 8 eine schematisierte Seitenansicht der Lichtleitereinrichtungen von
Figur 7;
Figur 9 einen teilweisen Schnitt durch die Lichtleitereinrichtungen der Figuren
7 und 8 und insbesondere durch eine mögliche Ausgestaltung der Vorrichtung in einem Abgas führenden Bereich; und
Figur 10 eine Darstellung ähnlich zu Figur 9 einer abgewandelten
Ausführungsform.
Funktionsäquivalente Elemente und Bereiche tragen in der nachfolgenden Beschreibung die gleichen Bezugszeichen und werden im allgemeinen nicht mehrfach erläutert.
Figur 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Fluid führenden Bereich unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz, und zwar in Form eines Partikelsensors 10. Man erkennt zunächst einen Laser 12, vorliegend beispielhaft einen CW-Laser (CW = continuous wave, also "Dauerstrich"), der Laserlicht 14 emittiert. Der Laser 12 kann insbesondere eine Laserdiode aufweisen, was sehr kostengünstig ist. Das Laserlicht 10 wird durch eine Linse 16 („Kollimationslinse“) zunächst zu einem parallelen Strahl geformt, der durch einen Strahlteiler 18 beispielsweise in Form eines Beamsplitters oder eines dichroitischen Spiegels hindurchtritt. Von dort gelangt er auf weiter unten noch zu erläuternde Art und Weise zu einer
Fokussierlinse 20 und weiter in fokussierter Form zu einem Laserlicht-Spot 22. Als Laserlicht-Spot 22 wird hier ein Volumenelement mit sehr kleinen
Abmessungen im pm-Bereich oder sogar im nm-Bereich verstanden, in dem das Laserlicht 14 extrem fokussiert und somit extrem energiedicht bzw. intensiv ist.
Laserlicht 14 hoher Intensität kann im Laserlicht-Spot 22 auf einen dort vorhandenen Partikel 24 treffen, beispielsweise einen Rußpartikel in einem Abgasstrom 36 einer Brennkraftmaschine. Die Intensität des Laserlichts 14 ist im Laserlicht-Spot 22 so hoch, dass die vom Partikel 24 absorbierte Energie des Laserlichtes 14 den Partikel 24 auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt (nur im Volumen des Laserlicht-Spots 22 erreicht die Intensität des Laserlichts 14 die für laserinduzierte Inkandeszenz (LI I) notwendigen hohen Werte). Als Folge der Erhitzung emittiert der Partikel 24 spontan und im Wesentlichen ohne
Vorzugsrichtung signifikant Temperaturstrahlung 26, auch als LII-Licht bezeichnet. Ein Teil der Temperaturstrahlung 26 wird daher auch
entgegengesetzt zur Richtung des einfallenden Laserlichtes 14 emittiert. Die Temperaturstrahlung 26 liegt zum Beispiel im nah-infraroten und sichtbaren Spektralbereich, ist jedoch nicht auf diesen Spektralbereich beschränkt. Der Laser 12, die Linse 16, der Strahlteiler 18 und die Fokussierlinse 20 bilden insoweit eine Einrichtung 27 zum Erzeugen des Laserlicht-Spots 22.
Die Temperaturstrahlung 26 eines im Laserlicht-Spot 22 durch das Laserlicht 14 angeregten Partikels 24 gelangt wiederum durch die Fokussierlinse 20 zurück zum Strahlteiler 18, wo sie um 90° abgelenkt wird, durch eine Fokussierlinse 28 hindurchtritt und durch einen Filter 30 (dieser ist nicht zwingend vorhanden) zu einem Detektor 32 gelangt. Der Filter 30 ist so ausgebildet, dass er die
Wellenlängen des Laserlichts 14 zumindest weitgehend ausfiltert, welches in geringem Umfang ebenfalls zurückgestrahlt wird. Durch den Filter 30 wird also der störende Background reduziert. Denkbar ist auch die Verwendung eines einfachen Kantenfilters. Das Signal-to-Noise-Ratio verbessert sich dadurch.
Die Abmessungen des Laserlicht-Spots 22 liegen vorzugsweise im Bereich einiger pm, insbesondere im Bereich von höchstens 100-200 pm, so dass den Laserlicht-Spot 22 durchquerende Partikel 24 zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen angeregt werden. Als Folge kann davon ausgegangen werden, dass sich meist, abhängig von der Gaskonzentration, höchstens ein Partikel 24 in dem Laserlicht-Spot 22 befindet und dass ein momentanes
Ausgangssignal 34 des Partikelsensors 10 nur von diesem höchstens einen Partikel 24 stammt.
Das Ausgangssignal 34 wird von dem Detektor 32 erzeugt, der im Partikelsensor 10 so angeordnet ist, dass er vom den Laserlicht-Spot 22 durchfliegenden Partikel 24 ausgehende Strahlung 26, insbesondere Temperaturstrahlung detektiert. Der Detektor 32 umfasst bevorzugt einen Multi-Pixel-Photon-Counter (MPPC) oder einen Silicon-Photon-Multiplier (SiPM) oder eine SPAD-Diode (single-photon avalanche diode), welche(r) die Temperaturstrahlung 26 erfasst und das vorliegend beispielhaft digitale Ausgangssignal 34 erzeugt. Mit den oben genannten Typen von Detektoren 32 kann bereits ein von einem besonders kleinen Partikel 24 erzeugtes und daher extrem kleines Lichtsignal, das beispielsweise von wenigen Photonen gebildet wird, detektiert werden. Damit sinken die Abmessungen von Partikeln 24, die gerade noch nachweisbar sind, auf eine untere Nachweisgrenze von bis zu 10 nm ab.
Es ist durchaus möglich, dass der Laser 12 moduliert bzw. an- und ausgeschaltet wird (duty cycle < 100%). Bevorzugt bleibt jedoch, dass der Laser 12 ein CW- Laser ist. Dies ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Halbleiter-Laser- Elementen (Laser-Dioden), was den kompletten Partikelsensor 10 verbilligt und die Ansteuerung des Lasermoduls 12 und die Auswertung des Ausgangssignals 34 stark vereinfacht. Die Verwendung gepulster Laser ist aber nicht
ausgeschlossen.
In Figur 1 ist durch einen Pfeil 36 auch Abgas symbolisiert, wie es beispielsweise bei einem Verbrennungsprozesses, beispielsweise in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine (Diesel oder Benzin) eines Kraftfahrzeugs erzeugt wird. Der Partikelsensor 10 weist eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr 38 und einem inneren Schutzrohr 40 auf. Die Achsen der Schutzrohre 38,40 sind quer zur Strömung des Abgases 36 ausgerichtet. Das innere Schutzrohr 40 ragt in Richtung der Achsen über das äußere Schutzrohr 38 hinaus und in das strömende Abgas 36 hinein. An dem vom strömenden Abgas 36 abgewandten Ende der beiden Schutzrohre 38, 40 ragt das äußere Schutzrohr 38 über das innere Schutzrohr 40 hinaus. Die lichte Weite des äußeren Schutzrohrs 38 ist bevorzugt so viel größer als der äußere Durchmesser des inneren Schutzrohrs 40, dass sich zwischen den beiden Schutzrohren 38, 40 ein erster und vorliegend in etwa kreisringförmiger Strömungsquerschnitt ergibt. Die lichte Weite des inneren Schutzrohrs 40 bildet einen zweiten und vorliegend kreisförmigen Strömungsquerschnitt.
Diese Geometrie hat zur Folge, dass Abgas 36 über den ersten
Strömungsquerschnitt in die Anordnung der beiden Schutzrohre 38, 40 eintritt, dann an dem vom Abgas 36 abgewandten Ende der Schutzrohre 38,40 seine Richtung ändert, in das innere Schutzrohr 40 eintritt und aus diesem vom vorbeiströmenden Abgas 36 herausgesaugt wird (Pfeile mit dem Bezugszeichen 42). Dabei ergibt sich im inneren Schutzrohr 40 eine laminare Strömung. Diese Anordnung von Schutzrohren 38, 40 wird quer zur Strömungsrichtung des Abgases 36 an bzw. in einem Abgasrohr (in Figur 1 nicht gezeichnet) befestigt. Der Laserlicht-Spot 22 befindet sich im Inneren des inneren Schutzrohrs 40.
Der Partikelsensor 10 weist bevorzugt einen dem Abgas 36 ausgesetzten ersten Teil 44 (Schutzrohre 38 und 40) und einen dem Abgas 36 nicht ausgesetzten zweiten Teil 46 auf, der die optischen und elektronischen Komponenten des Partikelsensors 10 enthält. Der Teil 44 wird auch als„Sensorkopf“ bezeichnet, der Teil 46 auch als„SCU“ („sensor control unit“). Die beiden Teile 44 und 46 sind durch eine erste Lichtleitereinrichtung 48 und eine zweite
Lichtleitereinrichtung 50 miteinander verbunden, die vorliegend beispielhaft koaxial zueinander angeordnet sind, siehe auch Figur 2. Dabei ist die erste Lichtleitereinrichtung 48 radial innen und die zweite Lichtleitereinrichtung 50 radial außen angeordnet. Wie weiter unten noch im Detail ausgeführt werden wird, ist die erste Lichtleitereinrichtung 48 so angeordnet, dass sie das Laserlicht 14 vom zweiten Teil 46 zum ersten Teil 44 des Partikelsensors 10 leitet, und die zweite Lichtleitereinrichtung 50 ist so angeordnet, dass sie insbesondere die Temperaturstrahlung 26 vom ersten Teil 44 zum zweiten Teil 46 leitet.
Zur Einkopplung des Laserlichts 14 in die erste Lichtleitereinrichtung 48 ist im zweiten Teil 46 zwischen dem Strahlteiler 18 und den beiden
Lichtleitereinrichtungen 48 und 50 eine Linse 52 angeordnet, welche auch zur Auskopplung der Temperaturstrahlung 26 aus der zweiten Lichtleitereinrichtung 50 und Weiterleitung der Temperaturstrahlung 26 hin zum Strahlteiler 18 dient. Zur Auskopplung des Laserlichts 14 aus der ersten Lichtleitereinrichtung 48 ist im ersten Teil 44 zwischen den beiden Lichtleitereinrichtungen 48 und 50 und der Fokussierlinse 20 eine Ein- und Auskoppellinse 54 (auch„Kollimationslinse“ genannt) angeordnet, welche auch zur Einkopplung der Temperaturstrahlung 26 in die zweite Lichtleitereinrichtung 50 dient. Die Ein- und Auskoppellinse 54 bildet insoweit eine erste Linse, wohingegen die Fokussierlinse 20 insoweit eine zweite Linse bildet.
Wie aus Figur 3 hervorgeht, können die beiden Lichtleitereinrichtungen 48 und 50 als eine sogenannte„Double-Clad-Faser“ 55 ausgebildet sein. Eine solche Double-Clad-Faser (DCF) ist eine Glasfaser, die vorliegend beispielhaft aus einem radial inneren Kernglas 56 und einem radial äußeren Mantelglas 58 besteht, wobei das insoweit ringförmigen Querschnitt aufweisende Mantelglas 58 das Kernglas 56 umschließt. Die beiden Gläser 56 und 58 können
unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Die erste Lichtleitereinrichtung 48 wird vorliegend durch das Kernglas 56 und die zweite Lichtleitereinrichtung 50 durch das Mantelglas 58 gebildet. Man erkennt aus Figur 3, dass der lichtleitende Gesamtquerschnitt der ersten Lichtleitereinrichtung 48 deutlich kleiner ist als der lichtleitende Gesamtquerschnitt der zweiten Lichtleitereinrichtung 50. Die erste Lichtleitereinrichtung 48 hat beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 3- 15 pm, und die zweite Lichtleitereinrichtung 50 hat beispielsweise einen
Durchmesser im Bereich von 70-350 pm. Sie sind vorliegend als einstückige Teile gemeinsam hergestellt („gezogen“).
In Figur 4 ist die Anordnung der optischen Komponenten im Strahlengang vom Laser 12 bis zur ersten Lichtleitereinrichtung 48 und im Strahlengang von der zweiten Lichtleitereinrichtung 50 bis zum Detektor 32 in der SCU 46 („sensor control unit“) dargestellt. Die SCU ist dabei in zwei Abschnitte unterteilt, nämlich einen ersten Abschnitt 62, in dem die besagten optischen Komponenten sowie der Laser 12 und der Detektor 32 angeordnet sind, und einen zweiten Abschnitt 64, in dem eine für die Ansteuerung des Lasers 12 und die Verarbeitung des Ausgangssignals 34 des Detektors 32 erforderliche Elektronik 66 angeordnet ist.
Bei der Ausführungsform der Figur 4 sind die erste Linse 54 (Ein- und
Auskoppellinse) und die zweite Linse 20 (Fokussierlinse) in etwa gleich groß ausgebildet. Bei der Ausführungsform der Figur 5 ist die Fokussierlinse 20 mit einem erheblich größeren Durchmesser als die Ein- und Auskoppellinse 54 ausgebildet, und sie ist vorzugsweise als asphärische Fokussierlinse 20 ausgebildet. Bei einer solchen Ausgestaltung wäre es auch möglich, dass auf die Ein- und Auskoppellinse 54 vollständig verzichtet wird. Figur 6 zeigt eine alternative Ausgestaltung der optischen Elemente 16, 18, 28 und 52 im Bereich von Laser 12 und Detektors 32. Bei dieser Ausgestaltung sind die besagten optischen Elemente 16, 18, 28 und 52 durch einen einzigen und vorliegend beispielhaft mehrstückigen Glaskörper 68 realisiert. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform könnte der Glaskörper 68 auch einstückig sein. Insgesamt umfasst der Glaskörper 68 drei Teilkörper 68a-c. Der Teilkörper 68a umfasst in Figur 6 links zum Detektor 32 hin einen von außen gesehen konvexen Abschnitt, der die Fokussierlinse 28 bildet. Am in Figur 6 rechten Rand weist der Glaskörper 68a eine geradlinige Schräge auf, die den Strahlteiler 18 bildet. Der Teilkörper 68b umfasst in Figur 6 unten zum Laser 12 hin einen von außen gesehen konvexen Abschnitt, der die Kollimationslinse 16 bildet. Der Teilkörper 68c weist an seinem in Figur 6 linken Rand zum Strahlteiler 18 hin einen vom Strahlteiler 18 aus gesehen konvexen Abschnitt auf, der die Ein- und
Auskoppellinse 52 bildet. Ein innerer Bereich 68d zwischen den Teilkörpern 68a- c ist hohl, so dass der für die Brechung bzw. Reflexion notwendige
Dichteunterschied der Medien erreicht wird. Insgesamt bilden die Teilkörpern 68a-c den in der Schnittansicht von Figur 6 insgesamt in etwa quadratischen Glaskörper 68.
Die Figuren 7-10 zeigen eine Vorrichtung 10 mit einer alternativen
Ausführungsform von erster Lichtleitereinrichtung 48 und zweiter
Lichtleitereinrichtung 50. Wie aus Figur 7 ersichtlich ist, sind die beiden
Lichtleitereinrichtungen 48 und 50 als Bündel einzelner Glasfaser-Lichtleiter 70a- g gebildet. Dabei wird die erste Lichtleitereinrichtung 48 durch den in der Querschnittsansicht von Figur 7 zentrischen Lichtleiter 70a gebildet, wohingegen die zweite Lichtleitereinrichtung 50 durch die in Umfangsrichtung um den zentrischen Lichtleiter 70a gleichmäßig verteilt angeordneten Lichtleiter 70b-g gebildet wird.
Jeder Lichtleiter 70a-g weist einen Glaskern 72 und ein Cladding 74 auf, wobei die entsprechenden Bezugszeichen in Figur 7 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur für den Lichtleiter 70c eingezeichnet sind. Der innere zentrische Lichtleiter 70a hat einen deutlich kleineren Durchmesser als die äußeren Lichtleiter 70b-g. Beispielsweise hat der innere zentrische Lichtleiter 70a einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 3-15 pm, wohingegen die äußeren Lichtleiter 70b-g einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 50-350 pm haben. Der innere Lichtleiter 70a dient zur Leitung des Laserlichts 14 vom Laser 12 in Richtung zum
Laserlicht-Spot 22, wohingegen die äußeren Lichtleiter 70b-g die Temperaturstrahlung 26 vom Laserlicht-Spot 22 in Richtung zum Detektor 32 leiten.
Wie aus Figur 8 ersichtlich ist, wird im Bereich des Lasers 12 und des Detektors 32 das Bündel aus einzelnen Lichtleitern 70a-g insoweit aufgelöst, als ein Endbereich 76 des mittigen Lichtleiters 70a aus dem Bündel von Lichtleitern 70a- g herausgelöst und mit Abstand zu den anderen Lichtleitern 70b-g zum Laser 12 geführt wird, so dass dieser Endbereich 76 unmittelbar dem Laser 12 und nur dem Laser 12 zugeordnet ist. Der Endbereich 78 des verbleibenden Bündels aus Lichtleitern 70b-g wird mit entsprechendem Abstand zum Endbereich 76 zum Detektor 32 geführt, so dass dieser Endbereich 78 unmittelbar dem Detektor 32 und nur dem Detektor 32 zugeordnet ist. Man erkennt ebenfalls aus Figur 8, dass auf jegliche Freistrahloptik (beispielsweise Strahlteiler, Fokussierlinse, etc.) zwischen der zweiten Lichtleitereinrichtung 50 und dem Detektor 32 verzichtet werden kann. Stattdessen tritt die Temperaturstrahlung 26 an den dem Detektor 32 zugewandten Enden der Lichtleiter 70b-g aus diesen aus, und die
Temperaturstrahlung 26 gelangt dann direkt über den Filter 30 zum Detektor 32.
Die Figuren 9 und 10 unterscheiden sich im Hinblick auf die Ausgestaltung des Sensorkopfs 44. Bei der Variante, die in Figur 9 gezeigt ist, ist die Ein- und Auskoppellinse 54 deutlich kleiner als die Fokussierlinse 20, die das Laserlicht 14 auf den Laserlicht-Spot 22 fokussiert. Wie bereits oben im Zusammenhang mit Figur 5 erläutert wurde, kann die Ein- und Auskoppellinse 54 als asphärische Linse realisiert werden, wodurch eine bessere Ein- und Auskopplung möglich wird. Grundsätzlich denkbar wäre es sogar, dass auf die Ein- und Auskoppellinse 54 ganz verzichtet wird. Ähnlich wie bei Figur 6 sind bei der Ausgestaltung des Sensorkopfs 44 von Figur 10 die Ein- und Auskoppellinse 54 und die
Fokussierlinse 20 gleich groß ausgeführt.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (10) zur Detektion von Partikeln (24) in einem Fluid (36)
führenden Bereich (40) unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz, wobei die Vorrichtung (10) umfasst: eine Laserquelle (12), eine Einrichtung (27) zum Erzeugen eines Laserlicht-Spots (22) in dem Fluid führenden Bereich (40), und einen Detektor (32) zum Erfassen einer
Temperaturstrahlung (26), die von einem in dem Laserlicht-Spot (22) befindlichen Partikel (24) ausgeht, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine erste Lichtleitereinrichtung (48) und mindestens eine zweite Lichtleitereinrichtung (50) umfasst, wobei die erste Lichtleitereinrichtung (48) zwischen der Laserquelle (12) und dem Laserlicht-Spot (22) so angeordnet ist, dass sie wenigstens bereichsweise das Laserlicht (14) leitet, und wobei die zweite Lichtleitereinrichtung (50) zwischen dem Laserlicht-Spot (22) und dem Detektor (32) so angeordnet ist, dass sie wenigstens bereichsweise die Temperaturstrahlung (26) leitet.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtleitereinrichtung (48) und die zweite Lichtleitereinrichtung (50) wenigstens bereichsweise koaxial zueinander angeordnet sind.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die das Laserlicht (14) leitende erste Lichtleitereinrichtung (48) radial innen und die die Temperaturstrahlung (26) leitende zweite Lichtleitereinrichtung (50) radial außen angeordnet ist.
4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
lichtleitende Gesamtquerschnitt der ersten Lichtleitereinrichtung (48) kleiner ist als der lichtleitende Gesamtquerschnitt der zweiten Lichtleitereinrichtung (50).
5. Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden
Lichtleitereinrichtungen (48, 50) ein Bündel einzelner Lichtleiter (70a-g) umfasst.
6. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtleitende Querschnitt eines einzelnen Lichtleiters (70b-g) der zweiten Lichtleitereinrichtung (50) größer ist als der lichtleitende Querschnitt des Lichtleiters (70a) der ersten Lichtleitereinrichtung (48).
7. Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Lichtleiter (70 a-g) ein eigenes Cladding (74) aufweist.
8. Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Laserlicht-Spot (22) weg weisende Endbereiche (76, 78) der beiden Lichtleitereinrichtungen (48, 50) voneinander beabstandet sind, wobei der Endbereich (76) der ersten Lichtleitereinrichtung (48) der Laserquelle (12) und der Endbereich (78) der zweiten Lichtleitereinrichtung (50) dem Detektor (32) zugeordnet ist.
9. Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Laserlicht-Spot (22) wegweisende Endbereich (78) der zweiten
Lichtleitereinrichtung (50) die Temperaturstrahlung (26) direkt und ohne Zwischenschaltung einer Linse zu dem Detektor (34) leitet.
10. Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der Ansprüche 1-4, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Lichtleitereinrichtung (48) und die zweite Lichtleitereinrichtung (50) als eine koaxiale und vorzugsweise gemeinsam hergestellte Double-Clad-Faser (55) ausgebildet sind.
1 1. Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem zum Laserlicht-Spot (22) hin weisenden Ende der beiden Lichtleitereinrichtungen (48, 50) und dem Laserlicht-Spot (22) mindestens eine erste Linse (54) angeordnet ist, welche das Laserlicht (14) aus der ersten Lichtleitereinrichtung (48) auskoppelt und die Temperaturstrahlung (26) in die zweite Lichtleitereinrichtung (50) einkoppelt.
12. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Linse (54) und dem Laserlicht-Spot (22) mindestens eine zweite Linse (20) angeordnet ist, welche einen größeren Durchmesser als die erste Linse (54) aufweist und vorzugsweise als asphärische Linse ausgebildet ist.
13. Vorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (16, 18, 28, 52) zwischen einerseits der Laserquelle (12) und dem Detektor (32) und andererseits den beiden Lichtleitereinrichtungen (48, 50) durch einen einzigen, einstückigen oder mehrstückigen Glaskörper (68) realisiert sind.
EP19809059.9A 2019-01-23 2019-11-25 Vorrichtung zur detektion von partikeln in einem fluid führenden bereich unter verwendung des prinzips der laserinduzierten inkandeszenz Withdrawn EP3914895A1 (de)

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