KR20210099021A

KR20210099021A - 입자 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치를 작동하는 방법 및 센서 장치

Info

Publication number: KR20210099021A
Application number: KR1020217018936A
Authority: KR
Inventors: 마르틴 부흐홀츠; 라도슬라프 루자노프; 파비안 푸르클; 파나기오티스 게데온; 에노 바르스
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2021-08-11
Also published as: CN113227758A; DE102018222771A1; WO2020126194A1

Abstract

본 발명은 레이저 유도 백열의 원리를 사용하여 유동 유체(42) 내의 입자(24) 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치(10)를 작동하는 방법에 관한 것이고, 상기 방법은 레이저(12)에 의해 레이저 광(14)을 생성하는 단계; 스팟(22)에서 상기 레이저 광(14)을 번들링하는 단계; 상기 스팟(22)에서 가열된 입자(24)로부터 방출되는 열 복사(26)를 검출기(32)에 의해 감지하는 단계; 및 감지된 상기 열 복사(26)에 의존하는 출력 신호(34)를 상기 검출기(32)를 통해 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 평가 장치(49)에 의해 상기 출력 신호(34)의 적어도 하나의 특성, 특히 시간에 따른 강도 프로파일을 분석하는 단계, 및 상기 분석에 기초하여 상기 평가 장치(49)에 의해 상기 센서 장치(10)의 진단을 실시하는 단계를 더 포함하는 것이 제안된다.

Description

입자 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치를 작동하는 방법 및 센서 장치

본 발명은 각각 독립 청구항들의 전제부에 따른 레이저 유도 백열 원리를 사용하여 유동 유체 내의 입자 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치를 작동하는 방법 및 센서 장치에 관한 것이다.

DE 10 2017 207 402 A1에는 입자 센서 형태의 레이저 유도 백열의 원리를 사용하여 유체를 운반하는 영역 내의 입자를 검출하기 위한 센서 장치가 공지되어 있다. 배기 가스를 운반하는 영역 내에 있는 입자, 예를 들어 그을음 입자는 레이저 광 스팟에 포커싱된 레이저 광에 의해 섭씨 수천도로 가열되고 이로써 상당한 열 복사를 방출한다. 입자의 열적으로 유도된 이러한 광 방출은 측정된 광 강도에 상응하는 출력 신호를 제공하는 광 검출기에 의해 측정된다.

본 발명의 과제는 독립 청구항들의 특징들을 가진 방법 및 센서 장치에 의해 해결된다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 제시된다.

본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 센서 장치는 레이저 유도 백열(LII)의 원리를 사용하여 유체 내의 입자를 검출하는 것을 기초로 한다. 여기에서, 입자로서는 특히 그을음 입자가, 그리고 및 유체로서는 특히 연소 시스템 또는 내연 기관의 배기 가스가 고려된다. 장치는 예를 들어 가솔린 또는 디젤 차량의 입자 필터의 상태 모니터링에 사용될 수 있다. 그러나 원칙적으로 장치는 일반적으로 모든 유체 내의 입자 및 에어로졸을 검출하기에 적합하다. 예를 들어, 장치가 다른 시나리오 및 적용 분야에 사용될 수 있다(예: 휴대용 배출 모니터링 시스템, 실내 공기질의 측정, 연소 시스템의 배출). 이 컨셉은 입자의 질량(mg/m³ 또는 mg/mi) 및 수 농도(입자/m³ 또는 입자/mi) 모두를 결정할 수 있게 한다. 입자 크기 분포의 측정도 가능하다.

레이저 유도 백열의 원리에서는 우선, 레이저로부터 나와서 레이저 광 스팟, 즉 ㎛ 또는 nm 범위의 가장 작은 치수를 가진 체적 범위에서 충분히 높은 강도로 번들링된 레이저 광에 의해, 입자가 레이저 광의 부분 흡수에 의해 수 천도로 가열된다. 플랑크의 복사 법칙에 따르면 이러한 뜨거운 입자는 특징적인 열 복사를 방출하며(백열 또는 발광), 상기 열 복사는 측정 신호 역할을 하며 검출기에 의해 수신된다.

이를 위해 예를 들어 레이저의 빔 경로 내에 배치된(예를 들어 포커싱 렌즈의 형태의) 광학 요소가 사용되고, 상기 광학 요소는 레이저로부터 나오는 레이저 광을 매우 작은 레이저 광 스팟에서 번들링하도록 형성 및 설계된다. 포커스 직경이 10㎛ 인 경우 입자 농도가 10¹³/m³이라고 하면 주어진 시점에서 항상 하나의 입자만이 레이저 광 스팟을 통과한다고(고유 단일 입자 검출성) 가정된다. 검출기는 레이저 광 스팟으로부터 나오는 열 복사를 검출하도록 설계 및 배치된다. 저렴한 반도체 레이저 다이오드가 레이저로서 사용될 수 있다. 열 복사의 검출은 예를 들어 다중 픽셀 광자 계수기(MPPC) 또는 실리콘 광자 증배기(SiPM)에 의해 이루어진다.

본 발명에 따른 방법은 구체적으로 다음 단계들을 포함한다:

a. 레이저에 의해 레이저 광을 생성하는 단계;

b. 레이저 광을 스팟에서 번들링하는 단계;

c. 스팟에서 가열된 입자로부터 방출되는 열 복사를 검출기에 의해 감지하는 단계;

d. 감지된 열 복사에 의존하는 출력 신호를 검출기를 통해 제공하는 단계.

e. 출력 신호의 적어도 하나의 특성, 특히 시간에 따른 강도 프로파일을 평가 장치에 의해 분석하는 단계, 및

f. 분석을 기초로 평가 장치에 의해 센서 장치의 진단을 실시하는 단계.

본 발명에 따른 센서 장치는 구체적으로 레이저 광을 생성하는 장치; 스팟에서 레이저 광을 번들링하는 장치; 스팟에서 가열된 입자로부터 방출되는 열 복사를 감지하는 검출기 및 검출기의 출력 신호를 평가하는 평가 장치를 포함하고, 상기 평가 장치는 예를 들어 메모리에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 상기 유형의 방법을 실시하도록 프로그래밍되게 설계된다.

따라서 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 센서 장치는 센서 장치의 신호 경로의 기본 기능이, 구체적으로는 레이저 광의 생성으로부터 백열 또는 열 복사의 검출에 이르기까지 검사될 수 있는 장점을 가진 자가 진단을 가능하게 한다. 기능의 검사는 높은 신뢰 수준으로 실시되는데, 왜냐하면 분석의 기초가 되는 검출기의 출력 신호는 검출기 자체의 오작동에 의해 무시할 수 있을 정도로 낮은 확률로 생성될 수 있기 때문이다. 따라서 높은 수준의 신뢰성으로 검출기의 출력 신호가 실제 검출기 상에 입사하는 열 복사에 상응하므로, 특정 적용 경우에 대해 예측 가능한 특정 특성을 가진다. 이로써 분석의 범주에서, 센서 장치의 작동 동안 실제로 얻어진 출력 신호의 적어도 하나의 특성이 상응하는 예측 특성과 비교되고 이러한 비교에 기초하여 센서 장치의 진단이 실시될 수 있고, 즉, 센서 장치의 정확한 그리고 현재의 기능에 대한 결론이 얻어질 수 있다. 이러한 자가 진단은 부품에 대한 매우 적은 추가 비용으로 실시될 수 있으므로 해당 센서 장치는 여전히 매우 저렴하다.

전술했듯이, 센서 장치는 예를 들어 연소 시스템, 특히 자동차 내연 기관의 배기 시스템 내의 입자 필터의 상태를 OBD 모니터링(OBD=온보드 진단)하는 것에 사용될 수 있다. OBD 모니터링에 사용되는 센서 장치의 경우 센서 기능의 연속적인 검사, 즉 셀프 테스트가 법률상 규정되어 있다. 이러한 연속 검사는 본 발명에 따른 방법에 의해 매우 간단한 방식으로 구현된다.

실시예에서는 단계(e)에서, 출력 신호가 적어도 하나의 이중 피크를 갖는지의 여부가 분석된다. 이는 스팟에서 레이저 광이 포커싱됨으로써 레이저 광이 스팟의 앞뒤에서 펼쳐지므로(레이저 광의 전체 방향에서 볼 때), 레이저 광이 정확하게 포커싱된 경우 레이저 광의 강도 분포는 단면으로 볼 때, 그의 축 방향 중심에서 수축부를 가지는 "덤벨" 모양을 가진다는 물리적 사실을 기초로 한다. 또한, 이는 센서 장치의 작동 동안 모든 입자가 정확히 스팟의 중심을 통해 꼭 이동하는 것이 아니라, 예측 가능한 통계 분포의 범주에서 특정 수의 입자들이 스팟의 중심에서 측면으로 상기 중심에 대해 특정 거리를 두고 지나간다는 물리적 사실을 기초로 한다. 따라서 이렇게 지나가는 동안 이러한 입자들은 두 번 가열되고, 즉, 레이저 광의 이동 방향 또는 빔 방향에서 볼 때, 스팟의 위치를 통과하기 직전에 한번 그리고 통과한 직후에 다른 한 번 가열되므로, 입자들이 두 번 상응하는 열 복사를 방출한다.

따라서, 검출기는 이러한 입자의 플래싱을 두 번 짧게 연속적으로 관찰하게 되므로 검출기는 이중 피크를 가진 상응하는 출력 신호를 제공한다. 여기에서 "이중 피크"는 시간상 바로 연속적으로 놓이는 2 개의 고점들 및 그 사이에 놓인 저점을 가지는 아날로그 출력 신호를 반드시 의미하는 것은 아니다. 물론, 이러한 이중 피크는 디지털 출력 신호에 의해서도, 예를 들어 시간상 인접하게 놓인 2 개의 "펄스 클러스터"에 의해서도 생성될 수도 있다. 일반적으로 "이중 피크"와 "단일 피크"의 구분은 유속 및 이로써 입자의 이동 속도에 의존하는, 지나가는 하나의 동일한 입자가 공통 스팟에 의해 여기되어 열 복사를 두 번 방출할 수 있는 기간을 고려하여 이루어진다. 이러한 기간 내에 있는 2 개의 피크들 만이 이중 피크로서 여겨진다.

전술했듯이 예측 가능한 통계 분포의 범주에서 특정 수의 입자가 스팟의 중심에서 측면으로 중심에 대한 특정 간격으로 지나가고 검출기의 출력 신호에서 상응하는 이중 피크들이 생성되는 것이 가정될 수 있다. 출력 신호가 이중 피크를 포함하지 않으면, 신호 경로의 근본적인 오작동이 가정될 수 있다. 레이저의 제어, 유체 내의 적합한 지점(스팟)에 레이저 광의 포커싱, 상기 지점에 유체의 공급, 검출기에 의한 열 복사의 검출, 및 신호 처리가 작동하는 경우에만, 언급된 이중 피크들이 출력 신호에서 관찰될 수 있다. 이중 피크들이 없다면, 즉 이중 피크들이 전혀 없으면, 센서 장치의 앞서 언급된 영역들 중 적어도 하나에서의 오작동이 가정될 수 있다.

실시예에서, 단계(e)에서 출력 신호가 적어도 하나의 한계 값에 상응하는 이중 피크들의 수를 특정 기간 내에 가지는지의 여부가 분석되고, 만약 기간 내의 이중 피크의 수가 적어도 상기 한계 값에 상응하지 않으면, 단계(f)에서 센서 장치의 에러가 추론되고, 특히 에러 메모리 내로의 입력이 이루어진다. 이러한 구체적 정의는 센서 장치의 오작동을 훨씬 더 민감하게 결정할 수 있다. 다른 프로세스에 의해 다수의 특징적인 이중 피크들을 포함하는 출력 신호를 생성하는 것은 아주 가능성이 낮다. 따라서, 한계 값에 상응하거나 또는 이를 넘어서는 수의 이중 피크들이 있다는 것은 센서 장치의 신호 경로의 근본적으로 정확한 기능을 증명하는 것이라고 할 수 있다.

실시예에서, 단계(f)에서 하나의 기간 내에 감지된 이중 피크의 수와 동일한 기간 내에 감지된 단일 피크의 수의 비율이 형성되고, 상기 비율이 미리 정해진 범위 밖에 있으면, 센서 장치의 에러가 추론되고, 특히 에러 메모리 내로의 입력이 이루어진다. 단일 피크와 이중 피크 사이의 이러한 비율 및 일반적인 값과의 비교, 예를 들어 배기 가스 시스템 내에 센서 장치가 설치된 내연 기관의 특정 작동 점에 대한 일반적인 값과의 비교에 의해, 센서 기능에 대한 추가 신뢰성이 확보될 수 있다.

다른 실시예에서, 출력 신호가 적어도 하나의 이중 피크를 포함하면, 단계(e)에서 이중 피크의 형상이 미리 정해진 형상에 적어도 대략 상응하는지의 여부가 분석된다. 이중 피크의 형상은 센서 장치가 작동하는 특정 작동 비율 또는 작동 조건에 대해서도 예측 가능하므로 센서 장치의 개별 영역들의 현재 기능 상태에 대한 중요한 정보를 제공한다. 이중 피크의 형상의 분석에 의해, 센서 장치 전체 뿐만 아니라 센서 장치의 소정 개별 요소들 또는 영역들의 계속적인 진단이 얻어질 수 있다. 감지된 다수의 이중 피크들로부터 "평균" 형상이 형성되고, 상기 평균 형상이 미리 정해진 형상과 다시 비교되는 것도 원칙적으로 가능하다.

실시예에서 단계(e)에서 이중 피크가 대칭인지의 여부가 분석되고, 이중 피크의 비대칭이 특정 수준에 도달하거나 초과하면, 단계(f)에서 스팟의 잘못된, 특히 잘못 경사진 유입 흐름이 추론되고, 특히 에러 메모리 내로의 입력이 이루어진다. 이는 유체의 흐름이 레이저 광의 전체 방향에 대해 적어도 실질적으로 평행하지 않으면, 스팟을 겨우 지나가고 출력 신호에서 이중 피크를 생성하는 입자는 스팟 앞에서 제 1 강도 영역을 지나가고 스팟 뒤에서 제 2 강도 영역을 지나가고, 2 개의 강도 영역들의 강도가 서로 다르므로, 따라서 검출기의 출력 신호의 고점들의 온도 및 절대 값들이 서로 상이하다는 생각을 기초로 한다. 이와 달리, 레이저 광의 빔 축에 대해 대체로 평행한 흐름의 경우, 이중 피크의 2 개의 고점들은 적어도 거의 동일한 수준에 있다. 스팟을 평행하지 않고 경사지게 지나는 흐름은 예를 들어 스팟을 반경 방향으로 둘러싸는 보호 튜브 내의 균열 또는 부분적인 막힘에 의해 야기되고, 따라서 센서 장치의 측정 정확도가 저하되거나 또는 더 이상 보장될 수 없다. 이는 본 발명에 따른 분석 및 평가 또는 진단에 의해 인식될 수 있다.

실시예에서, 출력 신호가 적어도 하나의 이중 피크를 포함하면, 단계(e)에서 이중 피크의 2 개의 고점들과 상기 2 개의 고점들 사이의 저점의 비율이 한계 값에 적어도 도달하는지의 여부가 분석되고, 비율이 한계 값에 도달하거나 초과하면, 단계(f)에서 스팟에서의 레이저 광의 잘못된 포커싱이 추론되고, 특히 에러 메모리 내로의 입력이 이루어진다. 예를 들어 광학 부품들의 바람직하지 않은 상대 이동에 의한 레이저 광의 포커싱의 저하는 감도의 감소와 관련이 있기 때문에 센서 장치에 있어서 중요한 것으로 간주될 수 있다.

이러한 에러 경우도 검출기의 출력 신호의 본 발명에 따라 제공된 분석에 의해 검출될 수 있다. 이중 피크의 특수성은 포커스 영역, 즉 스팟의 확대(예를 들어 확장)에 따라 감소되는데, 그 이유는 위에서 언급한 덤벨 모양이 덜 뚜렷하기 때문이다. 광학 장치의 설계 및 디포커싱의 정도에 따라, 이중 피크의 이러한 변화가 측정 신호로부터 검출될 수 있다. 다른 경우, 단일 및 이중 피크들의 상대적 빈도의 비교에 의해 및/또는 유속, 입자 농도 및 크기 분포의 인지 하에서 포커싱의 저하가 검출될 수 있다. 이러한 값들은 예를 들어 배기 시스템 내에 센서 장치가 설치된 내연 기관의 작동점으로부터 특성 맵을 이용해서 또는 개별 피크의 특성화에 의해 얻을 수 있다. 개별 피크의 특성화는 예를 들어 반치전폭 및 강도의 분포의 분석에 의해 이루어질 수 있다.

실시예에서, 단계(e)에서의 분석은 인공 지능에 의한 패턴 인식 또는 이중 피크의 곡선을 패턴 곡선 형상에 맞추는 것 또는 알고리즘을 사용하여 이중 피크의 고점들 및/또는 저점들을 찾고 이중 피크의 고점들 사이의 시간 간격을 평가하는 것을 포함한다. 이러한 방법들은 특히 효율적이고 신뢰할 수 있다.

본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 아래에 설명된다.

도 1은 레이저 유도 백열의 원리를 사용하여 유동 유체 내의 입자를 검출하기 위한 센서 장치의 구조의 개략도이고,
도 2는 입자의 제 1 궤적이 표시된 도 1의 센서 장치의 스팟의 개략적인 단면도이고,
도 3은 도 2의 입자에 대한 도 1의 센서 장치의 검출기의 출력 신호를 시간에 따라 도시한 다이어그램이고,
도 4는 입자의 3 개의 경사진 제 2 궤적이 표시된 도 2와 유사한 단면도이고,
도 5 내지 도 7은 도 4의 3 개의 입자들에 대한 도 3과 유사한 다이어그램들이고,
도 8은 도 2에 비해 약간 디포커싱된 스팟 및 입자의 제 3 궤적이 표시된 도 2와 유사한 단면도이고,
도 9는 도 8의 입자에 대한 도 3과 유사한 다이어그램이고,
도 10은 도 2에 비해 디포커싱된 스팟 및 입자의 제 4 궤적이 표시된 도 2와 유사한 단면도이고,
도 11은 도 10의 입자에 대한 도 3과 유사한 다이어그램이고,
도 12는 도 1의 센서 장치를 작동하는 방법의 흐름도이다.

기능상 동등한 요소들 및 영역들은 다음 설명에서 동일한 도면 부호를 가지며 일반적으로 중복 설명되지 않는다.

도 1은 레이저 유도식 백열의 원리를 사용하여, 구체적으로 입자 센서(10)의 형태로 유동 유체 내의 입자 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치의 실시예를 도시한다. 먼저, 레이저 광(14)을 방출하는 레이저(12), 여기에서는 예를 들어 CW 레이저(CW=연속파)가 도시된다. 레이저(12)는 레이저 다이오드를 포함할 수 있으므로, 비용이 매우 저렴해진다. 레이저 광(10)은 렌즈(16)("시준 렌즈")에 의해 우선 평행 빔으로 형성되어, 예를 들어 빔 스플리터 또는 다이크로익 미러 형태의 빔 스플리터(18)를 통과한다. 거기서부터 상기 빔이 포커싱 렌즈(20)에 도달하고 더 포커싱된 형태로 레이저 광 스팟(22)(이하 "스팟"으로 약칭)에 도달한다. 여기에서 스팟(22)은 레이저 광(14)이 극도로 포커싱되어서 에너지 밀도가 극도로 높거나 또는 집약적인 ㎛ 범위 또는 심지어 nm 범위의 매우 작은 치수를 가진 체적 요소를 의미한다.

고강도의 레이저 광(14)은 스팟(22)에서 거기에 있는 입자(24), 예를 들어 내연 기관의 배기 가스 흐름 내의 그을음 입자(24)에 부딪칠 수 있다. 스팟(22)에서 레이저 광(14)의 강도는 입자(24)에 의해 흡수된 레이저 광(14)의 에너지가 입자(24)를 섭씨 수천도로 가열할 정도로 높다(스팟(22)의 체적에서만 레이저 광(14)의 강도가 레이저 유도 백열(LII)에 필요한 높은 값에 도달한다). 입자(24)는 가열됨으로써 자발적이고 및 실질적으로 우선 방향 없이 상당한, LII 광이라고도 하는 열 복사(26)를 방출한다. 따라서 열 복사(26)의 일부는 입사 레이저 광(14)의 방향과 반대 방향으로도 방출된다. 열 복사(26)는 예를 들어 근적외선 및 가시 스펙트럼 범위에 있지만 이러한 스펙트럼 범위로 제한되지 않는다. 레이저(12), 렌즈(16), 빔 스플리터(18) 및 포커싱 렌즈(20)는 스팟(22)을 생성하는 장치(27)를 형성한다.

스팟(22)에서 레이저 광(14)에 의해 여기된 입자(24)의 열 복사(26)는 다시 포커싱 렌즈(20)를 통해 빔 스플리터(18)에 도달해서 90°만큼 편향되어, 포커싱 렌즈(28)를 통과하고 필터(30)(반드시 제공되어야 하는 것은 아님)를 통해 검출기(32)에 도달한다. 필터(30)는 레이저 광(14)의 파장이 적어도 대체로 필터링되고, 레이저 광의 소량이 반사되도록 형성된다. 즉, 간섭 배경은 필터(30)에 의해 감소된다. 단순한 에지 필터의 사용도 가능하다. 따라서, 신호 대 잡음비가 향상된다.

스팟(22)의 치수는 수 ㎛의 범위, 특히 최대 200 ㎛의 범위에 있으므로, 스팟(22)을 가로 지르는 입자(24)가 여기되어 평가 가능한 복사 전력을 방출한다. 따라서, 스팟(22)에는 항상 최대 하나의 입자(24)가 있고 입자 센서(10)의 순간 출력 신호(34)는 상기 최대 하나의 입자(24)로부터만 발생한다고 가정할 수 있다.

출력 신호(34)는 검출기(32)에 의해 생성되고, 상기 검출기(32)는 스팟(22)을 통과하는 입자(24)로부터 나오는 복사(26), 특히 열 복사를 검출하도록 입자 센서(10) 내에 배치된다. 검출기(32)는 열 복사(26)를 감지하고 출력 신호(34)를 생성하는 바람직하게는 다중 픽셀 광자 계수기(MPPC) 또는 실리콘 광자 증배기(SiPM) 또는 SPAD 다이오드(단일 광자 애벌랜치 다이오드)를 포함한다. 전술한 유형의 검출기(32)에 의해, 예를 들어 몇몇의 광자에 의해 형성되는, 특히 작은 입자(24)에 의해 생성되므로 매우 작은 광 신호가 검출될 수 있다. 따라서, 겨우 검출될 수 있는 입자(24)의 치수는 최대 10nm의 검출 한계로 낮아진다.

레이저(12)가 변조되거나 또는 스위치 온 및 오프되 것이 전적으로 가능하다(듀티 사이클 < 100%). 그러나, 레이저(12)는 CW 레이저인 것이 바람직하다. 이로써 저렴한 반도체 레이저 요소들(레이저 다이오드)이 사용될 수 있고, 이는 전체 입자 센서(10)를 더 저렴하게 하고 레이저 모듈(12)의 제어 및 출력 신호(34)의 평가를 크게 단순화시킨다. 그러나 펄스 레이저의 사용이 배제되지 않는다.

도 1에서, 화살표(36)는 예를 들어 자동차 내연 기관(디젤 또는 가솔린 또는 임의의 다른 연료)의 배기 시스템 내의 연소 공정에서 생성되는 바와 같은 배기 가스를 상징한다. 센서 장치(10)는 외부 보호 튜브(38) 및 내부 보호 튜브(40)로 이루어진 어셈블리를 포함한다. 보호 튜브들(38, 40)의 축들은 배기 가스(36)의 흐름에 대해 횡 방향으로 정렬된다. 내부 보호 튜브(40)는 외부 보호 튜브(38)를 넘어 축들의 방향으로 돌출하고 유동 배기 가스(36) 내로 돌출한다. 2 개의 보호 튜브들(38, 40)의, 유동 배기 가스(36)로부터 먼 단부 상에서 외부 보호 튜브(38)가 내부 보호 튜브(40)를 넘어 돌출된다. 외부 보호 튜브(38)의 내부 폭은 2 개의 보호 튜브들(38, 40) 사이에 여기에서는 대략 원형인 제 1 유동 단면이 생길 정도로 바람직하게는 내부 보호 튜브(40)의 외부 직경보다 훨씬 더 크다. 내부 보호 튜브(40)의 내부 폭은 여기에서는 원형인 제 2 유동 단면을 형성한다.

이러한 기하학적 구조에 의해, 배기 가스(36)가 제 1 유동 단면을 통해 2 개의 보호 튜브들(38, 40)의 어셈블리 내로 들어가고, 그 후 배기 가스(36)로부터 먼 보호 튜브들(38, 40)의 단부 상에서 방향을 변경하여, 내부 보호 튜브(40) 내로 들어가고, 지나가는 배기 가스(48)에 의해 상기 내부 보호 튜브로부터 흡입되게 된다(화살표 42). 내부 보호 튜브(46) 내에 층류가 발생되고, 상기 층류의 방향은 일점쇄선으로 표시된 레이저 광(14)의 길이 방향 축(44)에 대해 일반적 경우 평행하다. 보호 튜브들(38, 40)의 이러한 어셈블리는 배기 가스(36)의 흐름 방향에 대해 횡 방향으로 배기 파이프(도시되지 않음) 상에 또는 내에 고정된다. 스팟(22)은 내부 보호 튜브(40)의 내부에서 층류(42)의 영역 내에 놓인다.

입자 센서(10)는 바람직하게는 배기 가스(36)에 노출된 제 1 부분(46)(보호 튜브들(38 및 40)) 및 배기 가스(36)에 노출되지 않은 제 2 부분(48)을 포함하고, 상기 제 2 부분은 입자 센서(10)의 광학 및 전자 부품들을 포함한다. 부분(46)은 "센서 헤드"라고도 하고 부분(48)은 "SCU"("센서 제어 장치")라고도 한다. 부분(48)은 검출기(32)의 출력 신호(34)가 분석되는, 구체적으로는 시간에 따른 출력 신호(34)의 강도 프로파일과 관련해서 분석되는 평가 장치(49)도 포함한다. 이러한 평가 장치(49)에서 센서 장치(10)의 진단이 방금 언급한 분석에 기초하여 이루어진다. 따라서, 센서 장치(10)의 기능은 아래에서 상세히 제시되듯이 "셀프 테스트"라는 개념으로 검사될 수 있다.

도 2에는, 포커싱된 레이저 광(14)에 의해 형성된 스팟(22)이 단면도로 도시되어 있다. 렌즈(20)에 의해 포커싱된 2 개의 레이저 광 빔에 대한 예시가 도 2에 도시되고, 이러한 2 개의 빔들은 14'및 14"로 표시된다. 스팟(22)은 길이 방향 축(44)의 방향으로 길이 방향 연장부(L) 및 길이 방향 연장부(L)에 대해 횡 방향인 최대 연장부(B)를 가진 길쭉한 확장부를 가지는 것이 도시되어 있다. 또한 도 2에는 레이저 광(14)의 포커싱에 의해 스팟(22)이 (길이 방향 축(44)의 방향으로 볼 때) 축의 중심에 수축된 영역(50)을 가진 일종의 덤벨 모양을 가지고, 수축된 영역(50)은 각각 직경(B)을 가지는 상부 및 하부 축 방향 단부 영역들(52a 및 52b)의 직경보다 작은 직경(C)을 가지는 것이 도시된다. 도 2에는 레이저 광(14)의 동일한 강도의 라인들(54)도 표시되나, 명확성을 위해 라인들 중 제일 바깥쪽 라인만 도면 부호로 표시되어 있다. 가장 안쪽에 그려진 라인(54)은 전체가 실질적으로 계란 또는 타원 형상을 가지지만, 가장 바깥쪽에 그려진 라인(50)은 전술한 덤벨 모양을 가지는 것이 도시되어 있다. 강도는 스팟(22)의 내부에서 가장 높고 스팟(22)의 가장자리에서 가장 낮다.

화살표(56)는 입자(24)의 궤적을 나타낸다(도 1의 흐름(42)에 대응). 상기 궤적은 여기에서 스팟(22)의 중심을 정확히 통과하지 않고, 중심에서 좌측으로 지나가고, 구체적으로 길이 방향 축(44)에 대해 그리고 이로써 스팟(22)의 중심에 대해 입자(24)가 먼저 하부 영역(52a)을 통과한 후 상기 영역으로부터 나와서 수축된 영역(50) 옆을 지나가므로, 그 후 상부 영역(52b) 내로 들어가서 마지막으로 상기 영역을 떠나는 정도의 간격으로 지나간다.

레이저 광(14)의 강도는 입자(24)가 통과하는 2 개의 영역들(52a 및 52b)의 가장자리 영역에서도 입자를 여기하여 열 복사(26)를 방출하기에 충분하고, 구체적으로는 두 번이고, 즉 입자(24)가 하부 영역(52a)을 통과할 때가 한 번 그리고 입자(24)가 상부 영역(52b)을 통과할 때가 2번이다. 상응하게 출력 신호(34)가 생성되고, 도 3에는 상기 출력 신호가 시간에 따라 도시되어 있다. 제 1 고점(60a)까지 상승하는 제 1 급상승 플랭크(58a) 및 저점(64)까지 떨어지는 급하강 플랭크(62a)가 도시되어 있다. 거기에서부터 제 2 급상승 플랭크(58b)를 따라 제 2 고점(60b)으로 가고, 그리고 다시 급하강 플랭크(62b)를 따르고 다시 낮은 일정한 신호 레벨이 된다.

2 개의 고점들(60a 및 60b)은 거의 동일한 절대 값을 가지며, 즉 대략 동일한 수준에 있다. 따라서, 출력 신호(34)는 시간상 밀접하게 놓인, 즉 시간 간격(t) 내에 있는 2 개의 고점들(60a 및 60b)을 포함하고, 상기 고점들은 "이중 피크"(66)를 형성한다. 시간 간격(t)의 길이는 특히 유체의 속도 및 이로써 입자(24)의 속도에 의존할 수 있다. 이중 피크(66)는 저점(64)에 대해 대체로 대칭이고, 즉, 예를 들어 제 1 상승 플랭크(58a)와 제 2 하강 플랭크(62b)가 서로 대칭이고, 제 1 하강 플랭크(62a)와 제 2 상승 플랭크(58b)도 서로 대칭이다. 이로부터, 평가 장치(49)에 의한 이중 피크(66)의 형상을 분석하는 범주에서, 한편으로는 스팟(22)이 기술된 덤벨 모양의 기하학적 구조를 가지는 것이 추론되고, 다른 한편으로는 입자(24)가 레이저 광(14)의 길이 방향 축(44)에 대해 실질적으로 평행하게 연장하는 궤적(56) 상에서 스팟(22)을 통과하는 것이 추론될 수 있다. 이는 센서 장치(10)의 소정의 정상 기능에 상응한다.

도 4 내지 도 7에는 궤적들(56a 내지 56c)이 레이저 광(14)의 길이 방향 축(44)에 평행하지 않게 연장하는 작동 상황이 도시된다. 예를 들어, 내부 보호 튜브(40) 내의 균열 또는 부분적 막힘으로 인해, 흐름(42)이 보호 튜브(40) 또는 길이 방향 축(44)에 평행한 이상적인 흐름으로부터 벗어나므로, 센서 장치(10)의 측정 정확도가 더 이상 보장되지 않는다.

길이 방향 축(44)에 대한 궤적(56c)의 각도는 궤적(56b)의 각도보다 크고, 길이 방향 축(44)에 대한 궤적(56b)의 각도는 궤적(56a)의 각도보다 크다. 도 5에는 궤적(56a)에 대한 출력 신호(34)가 도시된다. 도 3에 비해 출력 신호(34)의 이중 피크(66)의 형상이 더 이상 대칭이지 않는 것을 알 수 있다. 이는 입자(24)가 하부 영역(52a)을 더 바깥쪽에서 그리고 이로써 더 낮은 강도의 영역에서 통과하는 한편, 상부 영역(52b)을 더 안쪽에서 그리고 이로써 더 높은 강도의 영역에서 통과한 것과 관련있다. 따라서, 입자(24)는 상부 영역(52b)을 통과할 때보다 하부 영역(52a)을 통과할 때 덜 강하게 가열된다. 이로써, 출력 신호(34)의 제 1 고점(60a)의 절대 값은 제 2 고점(60b)의 절대 값보다 낮다. 이러한 차이는 궤적(56)이 경사질수록 더 크다.

길이 방향 축(44)에 대한 2 개의 궤적들(56b 및 56c)의 더 큰 각도는 도 6(궤적 56b에 대응) 및 도 7(궤적 56c에 대응)로부터 알 수 있듯이 이중 피크(66)의 더 강한 비대칭으로 나타난다. 따라서, 입자(24)의 궤적(56)이 레이저 광(14)의 길이 방향 축(44)에 대해 경사진 경우 이중 피크(66)는 특징적인 비대칭 형상을 가지고, 상기 비대칭 형상은 평가 장치(49)에 의해 분석되고 평가 장치(49)에 의해 경사진 궤적(56)으로서 진단된다.

도 8 내지 도 9에는 입자(24)의 궤적(56)이 레이저 광(14)의 길이 방향 축(44)에 평행하게 연장하지만, 스팟(22)이 약간 디포커싱된 경우가 도시되고, 이로써 수축된 영역(50)은 도 2 내지 도 4에 도시된 더 강하게(더 양호하게) 포커싱된 경우보다 더 큰 직경(C)을 가진다. 도 8의 스팟(22)의 덤벨 모양은 도 2 내지 도 4에 도시된 스팟(22)에서보다 덜 뚜렷하다. 이러한 디포커싱은 예를 들어 센서 장치(10)의 광학 부품들, 예를 들어 렌즈(16), 빔 스플리터(18), 렌즈(20) 및 렌즈(28)의 바람직하지 않은 상대 이동에 의해 발생할 수 있다.

도 9의 상응하는 출력 신호(34)를 참조하면, 플랭크들(58a, 58b 및 62a, 62b)은 도 3에서의 플랭크들보다 덜 가파르고 특히 저점(64)이 도 3에서의 저점보다 더 높다는 것을 알 수 있다. 따라서, 도 9의 출력 신호(34)의 형태에서의 2 개의 고점들(60a, 60b)의 절대 값들과 저점(64)의 절대 값의 비율은 도 3의 출력 신호(34)의 형태에서의 상응하는 비율과는 현저히 다르고, 즉 훨씬 더 낮은 값을 가진다고 볼 수 있다.

이것은 도 10에 도시된 스팟(22)의 디포커싱에서 더욱 뚜렷하고 도 10에 도시된 스팟(10)은 덤벨 모양을 거의 가지고 있지 않게 된다. 따라서, 이로부터 얻어진 출력 신호(34)의 경우, 2 개의 고점들(60a 및 60b)의 절대 값들은 그 사이에 놓인 저점(64)의 절대 값과 거의 다르지 않으므로, 도 11에 도시되듯이, 이중 피크(66)의 특징적 형상이 거의 보이지 않는다. 출력 신호(34)의 이러한 특징적 형상이 평가 장치(49)에 의해 분석되고, 이로써 스팟(22)의 디포커싱이 진단된다.

센서 장치(10)를 작동하는 방법은 도 12를 참조하여 설명된다. 방법은 블록(68)에서 예를 들어 내연 기관의 경우 그의 시동 후 시작된다. 그 후, 블록(69)에서, 출력 신호(34)의 평가는 예상 빈도로, 구체적으로 단일 피크의 빈도에 대해 절대적으로 및 상대적으로 이중 피크들(22)의 존재와 관련하여 이루어진다. 따라서, 블록(70)에서 검출기(32)의 출력 신호(34)가 적어도 하나의 한계 값에 상응하는 이중 피크(66)의 수를 특정 기간 내에 포함하는지의 여부가, 그리고 이중 피크와 단일 피크 사이의 비율이 적어도 하나의 예상 한계 값에 상응하는지의 여부가 검사된다. 블록(70)에서의 대답이 "아니오"이면, 선택적인 추가 및 독립적 진단 기능들이 블록(72)에서 실시된다. 언급했듯이 이러한 진단 기능들은 선택적이고 절대적으로 필요하지는 않다. 마찬가지로 단지 선택적인 블록(74)에서 에러 경우가 실제로 인식되었는지의 여부가 검사된다. 대답이 "아니오"이면 시작 블록(68)으로 돌아간다. 그렇지 않으면 블록(76)에서 센서 장치(10)의 (근본적) 에러가 추론되고 이로써 에러 메모리 내로의 일반적 입력이 이루어진다. 그 후 방법이 블록(78)에서 끝날 것이다.

블록(70)에서의 대답이 "예"이면, 블록(80)에서 이중 피크(66)의 평가가 특히 고점들(60a 및 60b)의 대칭과 관련하여 이루어진다. 따라서, 블록(82)에서 감지된 이중 피크(66) 또는 감지된 이중 피크들(66)이 미리 정해진 대칭 조건을 충족하는지의 여부가, 특히 고점들(60a 및 60b)이 적어도 대략 동일하게 높은지의 여부가 검사된다. 대답이 "아니오"이면, 이는 길이 방향 축(44)에 대해 허용 불가능하게 경사진 흐름(42)을 나타내는 것이다. 전술한 선택적인 블록(72)에서 다른 독립적 진단이 다시 실시될 수 있고, 선택적 블록(74)에서 실제로 에러가 있는지의 여부가 검사될 수 있다. 대답이 "예"이면, 블록(76)에서 에러가 있다고 다시 인식되고, 위의 일반적 입력에 비해 추정된 허용 불가능하게 경사진 흐름(42)이 구체화된 에러 메모리 내로의 상응하는 입력이 이루어진다.

블록(82)에서의 대답이 "예"이면, 길이 방향 축(44)에 평행한 흐름(42)이 가정되므로, 블록(84)에서 아주 일반적으로 예상 형상과 관련하여, 예를 들어 고점들(60a 및 60b) 및 그 사이에 있는 저점들(64)의 절대 값들 간의 비율과 관련하여 이중 피크(66) 또는 이중 피크들(66)의 평가가 이루어진다. 상기 비율이 한계 값에 도달하거나 또는 초과하거나 또는 미달하면, 이중 피크(66)의 형성이 예상과 다르다. 따라서 테스트 블록(86)에서의 대답이 "아니오"이면, 다시 블록들(72 및 74)로 이동하고 경우에 따라 블록들(76 및 78)로 이동하고, 블록(76)에서 에러 메모리 내로의 에러 입력이 스팟(22)의 허용 불가능한 디포커싱이 가정되도록 구체화된다. 그러나, 테스트 블록(86)에서의 대답이 "예"이면, 정확한 포커싱이 가정되고 블록(88)에서 특정 시간이 경과한 후 시작 블록(68)으로 복귀하게 하는 카운터가 시작된다.

10 센서 장치
12 레이저
14 레이저 광
22 스팟
24 입자
26 열 복사
32 검출기
34 출력 신호
49 평가 장치
60a, 60b 고점
64 저점
66 이중 피크

Claims

레이저 유도 백열의 원리를 사용하여 유동 유체(42) 내의 입자(24) 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치(10)를 작동하는 방법으로서,
a. 레이저(12)에 의해 레이저 광(14)을 생성하는 단계;
b. 스팟(22)에서 상기 레이저 광(14)을 번들링하는 단계;
c. 상기 스팟(22)에서 가열된 입자(24)로부터 방출되는 열 복사(26)를 검출기(32)에 의해 감지하는 단계; 및
d. 감지된 상기 열 복사(26)에 의존하는 출력 신호(34)를 상기 검출기(32)를 통해 제공하는 단계를 포함하는, 상기 방법에 있어서, 상기 방법은
e. 평가 장치(49)에 의해 상기 출력 신호(34)의 적어도 하나의 특성, 특히 시간에 따른 강도 프로파일을 분석하는 단계,
f. 상기 분석에 기초하여 상기 평가 장치(49)에 의해 상기 센서 장치(10)의 진단을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자(24) 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치(10)를 작동하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 단계(e)에서 상기 출력 신호(34)가 적어도 하나의 이중 피크(66)를 포함하는지의 여부가 분석되는 것을 특징으로 하는 입자(24) 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치(10)를 작동하는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 단계(e)에서 상기 출력 신호(34)가 적어도 하나의 한계 값에 상응하는 이중 피크(66)의 수를 특정 기간 내에 포함하는지의 여부가 분석되고, 상기 기간 내의 상기 이중 피크(66)의 수가 적어도 상기 한계 값에 상응하지 않는다면, 상기 단계(f)에서 상기 센서 장치의 에러가 추론되고, 특히 에러 메모리 내로의 입력이 이루어지는 것을 특징으로 하는 입자(24) 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치(10)를 작동하는 방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 단계(f)에서 기간 내에 감지된 이중 피크의 수(66)와 동일한 기간 내에 감지된 단일 피크의 수의 비율이 형성되고, 상기 비율이 미리 정해진 범위 밖에 있으면 상기 센서 장치(10)의 에러가 추론되고, 특히 에러 메모리 내로의 입력이 이루어지는 것을 특징으로 하는 입자(24) 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치(10)를 작동하는 방법.
제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 신호(34)가 적어도 하나의 이중 피크(66)를 포함하면, 상기 단계(e)에서 상기 이중 피크(66)의 형상이 미리 정해진 형상에 적어도 대략 상응하는지의 여부가 분석되는 것을 특징으로 하는 입자(24) 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치(10)를 작동하는 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 단계(e)에서 상기 이중 피크(66)가 대칭인지의 여부가 분석되고, 상기 이중 피크(66)의 비대칭이 특정 정도에 도달하거나 또는 초과하면, 상기 단계(f)에서 상기 스팟(22)의 잘못된, 특히 잘못 경사진 유입 흐름(42)이 추론되고, 특히 에러 메모리 내로의 입력이 이루어지는 것을 특징으로 하는 입자(24) 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치(10)를 작동하는 방법.
제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 신호(64)가 적어도 하나의 이중 피크(66)를 포함하면, 상기 단계(e)에서 상기 이중 피크(66)의 2 개의 고점들(60a, 60b)과 상기 고점들(60a, 60b) 사이의 저점(64)의 비율이 한계 값에 적어도 도달하는지의 여부가 분석되고, 상기 비율이 상기 한계 값에 도달하거나 또는 초과하면, 상기 단계(f)에서 상기 스팟(22)에서의 상기 레이저 광(14)의 잘못된 포커싱이 추론되고, 특히 에러 메모리 내로의 입력이 이루어지는 것을 특징으로 하는 입자(24) 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치(10)를 작동하는 방법.
제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계(e)에서의 분석은 인공 지능에 의한 패턴 인식 또는 상기 이중 피크(66)의 곡선을 패턴 곡선 형상에 맞추는 것 또는 알고리즘을 사용하여 상기 이중 피크(66)의 고점들(60a, 60b) 및/또는 저점들(64)을 찾고 상기 이중 피크(66)의 고점들(60a, 60b) 간의 시간 간격을 평가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자(24) 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치(10)를 작동하는 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출기(32)의 상기 출력 신호(34)에서 고점들(60a, 60b)의 시간 간격을 평가함으로써 이중 피크(66)와 단일 피크를 구분하는 것을 특징으로 하는 입자(24) 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치(10)를 작동하는 방법.
레이저 유도 백열의 원리를 사용하여 유동 유체(36, 42) 내의 입자(24) 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치(10)로서, 레이저 광(14)을 생성하는 장치(12), 스팟(22)에서 상기 레이저 광(14)을 번들링하는 장치(20), 상기 스팟(22)에서 가열된 입자(24)로부터 방출된 열 복사(26)를 감지하는 검출기(32), 및 상기 검출기(32)의 출력 신호(34)를 평가하는 평가 장치(49)를 포함하는, 상기 센서 장치(10)에 있어서,
상기 평가 장치(49)가 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하도록 설계된 것을 특징으로 하는 입자(24) 또는 에어로졸을 검출하기 위한 센서 장치(10).