WO2016180906A1 - Vorrichtung und verfahren zur ermittlung der anzahl an feststoffpartikeln in einem fluidstrom - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur ermittlung der anzahl an feststoffpartikeln in einem fluidstrom Download PDF

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WO2016180906A1
WO2016180906A1 PCT/EP2016/060615 EP2016060615W WO2016180906A1 WO 2016180906 A1 WO2016180906 A1 WO 2016180906A1 EP 2016060615 W EP2016060615 W EP 2016060615W WO 2016180906 A1 WO2016180906 A1 WO 2016180906A1
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light
sensor
unit
carpet
light sensor
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PCT/EP2016/060615
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Alexander Bergmann
Patrick FALK
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Avl List Gmbh
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated

Definitions

  • the subject invention relates to an apparatus and a method for determining the number of solid particles in a fluid flow, in particular in exhaust gases from internal combustion engines.
  • the apparatus comprises a measurement channel for the fluid flow to be measured, a saturation unit for saturating the fluid with vapors of a resource, a condensation unit for cooling the fluid flow and a counting unit for counting the condensate droplets formed on the particles during cooling, wherein the counting unit comprises a lighting device, at least a light sensor and one with the
  • Light sensor connected computing unit for determining the number of particles. According to the method according to the invention, the fluid flow to be measured passes through the measuring channel.
  • particle counters of the prior art are designed as a one-dimensional particle counter, in which the particle flow after the condensation unit is passed through a separating nozzle.
  • the particles can therefore with a sufficiently high probability isolated, ie one after the other, emerge from the nozzle to allow a count of the individual particles as possible without coincidences.
  • the counting unit is arranged. This has a lighting unit, with which the area behind the outlet opening of the nozzle is generally illuminated with laser light, which is scattered by the particles emerging from the nozzle. The scattering is measured by a light sensor and the scattering events are counted.
  • Particle counters of the prior art are currently able to handle fluids with a particle density of up to 20,000 particles / cm 3 .
  • This count limit is determined primarily by the coincidence probability. Coincidence occurs when two particles pass the laser beam so close to each other that only one pulse is detected instead of two individual pulses. It is an object of the subject invention to significantly increase the count limit and at the same time the reliability of the count.
  • the illumination device can be used to produce a carpet of light arranged on a cutting plane through the measurement channel, which defines a measurement surface which extends substantially over the entire cross-sectional area of the measurement channel, and wherein the light sensor for scanning the entire extent of the measuring surface has a plurality of sensor elements.
  • the term “scanning” is understood to mean a measuring process and the recognition of the passage of a condensate droplet through the carpet of light.
  • “Carpet of light” is understood to mean an arrangement whose planar two-dimensional extent denotes the thickness, ie expansion in a third dimension (hereinafter referred to as the thickness d of the carpet of light) - net), clearly outweighs.
  • the illumination device can advantageously have at least one laser light source.
  • the light sensor may comprise at least one linear arrangement of a plurality of sensor elements, whereby a very simple sensor arrangement is possible.
  • Linear arrangement here means the adjacent or successive (eg line-like) arrangement of the sensor elements.
  • two linear arrays of a plurality of sensor elements may also be arranged in an angular configuration, for example at right angles to one another. This can be misintervals, due to overlapping droplets of condensate, prevent, whereby the count limit is increased.
  • the two linear arrangements are both in the plane of the carpet of light.
  • the term "count limit” refers to the particle concentration which can be reliably counted with a certain configuration and under certain flow conditions
  • the tolerable coincidence probability could be 10%, which would in practice mean that of the 20,000 particles / cm 3, a maximum of 2,000 particles would not be detected of being counted or dissolved, this state of affairs is referred to as "coincidence".
  • the coincidence probability therefore corresponds to the ratio of the number of undetected particles to the total particle number.
  • at least one optical fiber bundle unit can be arranged in front of the light sensor for focusing stray light. As a result, the reliability of the count can be increased, since with the fiber bundle unit certain areas of the measuring surface can be assigned to specific sensor elements.
  • the light sensor (or optionally a plurality of the light sensors) can be arranged in an advantageous manner in the sectional plane. As a result, good light detection can be achieved both in bright field measurement and in dark field measurement. As mentioned above, the carpet of light is part of the cutting plane.
  • the light sensor for direct measurement of the light of the carpet of light may be arranged for this purpose, i. that the light sensor is arranged in the sectional plane such that the light of the illumination device strikes the sensor elements directly and without any elements arranged therebetween.
  • the light sensor can be shielded by a shield from the beam path of the carpet of light, wherein preferably at least one lens unit for focusing scattered light can be arranged between the shield and the light sensor. Due to the shielding, the sensor unit can also be used in the case of a dark field be arranged in the sectional plane, whereby it is possible in conjunction with the lens unit to measure a particularly high proportion of the scattered light with the sensor unit.
  • the at least one lens unit can have a diaphragm arrangement. This increases the depth of field of the lens unit for particle detection, as a result of which condensate droplets can be reliably detected over the entire area of the measuring area.
  • the normal to the sectional plane with the axis of the measuring channel an apex angle ⁇ between 30 ° and 60 °, preferably 45 ° include.
  • the light sensor may advantageously have a two-dimensional array of sensor elements and a lens unit, wherein preferably the optical axis of the unit of light sensor and lens unit is aligned substantially normal to the measurement surface.
  • the sensor element can be focused on the measuring surface in order to precisely detect the condensate droplets passing through the carpet of light over the entire measuring surface.
  • substantially normal in this context means that the optical axis is aligned in such a way that the range of the depth of field of the Lens arrangement, which is suitable for measuring condensate droplets, extends over the entire area of the measuring surface.
  • the light sensor according to the invention a two-dimensional array of sensor elements and a lens unit, wherein preferably the alignment of the objective main plane of the lens unit, the image plane of the light sensor and the plane of the measuring surface of the Scheimpflug condition corresponds.
  • an advantageous angle for the focusing plane can be selected, whereby the proportion of the light scattered by a particle can be increased.
  • the invention further relates to a method for determining the number of solid particles in a fluid stream, in particular in exhaust gases of internal combustion engines, wherein the fluid flow to be measured passes through a measuring channel which has a saturation unit in which
  • a sectional plane through the measuring channel can define a measuring area on which Rather, a light carpet is produced for illuminating the condensate droplets passing through the measuring surface, the light deflections caused by the condensate droplets passing through the carpet of light being measured by at least one sensor element of a light sensor comprising a multiplicity of sensor elements, and the measurements of a computing unit to determine the number of solid particles are evaluated.
  • the method according to the invention makes it possible to simultaneously measure condensate droplets over the entire flat area of the measuring surface, which is spanned by the carpet of light, so that the requirement of a separating nozzle is eliminated.
  • the location-dependent measurement makes it possible to avoid detection errors that can occur when several particles pass through the carpet of light at the same time.
  • the carpet of light can be formed with preferably highly-collimated laser light in order to increase the measurement accuracy.
  • the term "highly collimated” is understood in particular to mean a laser light carpet in which the beam divergence in the carpet layer is at most 0.1 mrad.
  • the light of the carpet of light and / or scattered light can be selectively shielded by means of shield systems.
  • a desired beam path can be defined or an undesired beam path can be prevented.
  • the measuring surface may extend over the entire part of the cross-sectional area traversed by the particle stream, preferably substantially over the entire cross-sectional area of the measuring channel. This minimizes false counts and thus significantly increases the count limit.
  • the ratio of the width of the measuring surface to the mean diameter of the condensate droplets can be greater than 100, preferably greater than 500 and particularly preferably greater than 1000.
  • the above-mentioned numerical values mean that the width of the measuring surface corresponds to 100, 500 or 1000 times the mean diameter of the condensate droplets.
  • At least two or more of the following parameters can be adapted to each other to optimize the counting accuracy: the thickness d of the carpet of light, the size of the measuring area, the speed of the fluid flow, the particle density in the Fluid flow, the particle distribution in the fluid flow, the size of the condensate droplets, the time resolution of the sensor unit.
  • the count limit is increased when the thickness d of the carpet of light is reduced.
  • the light deflection can be measured by light sensors which have at least one linear arrangement of a multiplicity of sensor elements or two linear arrangements of a multiplicity of sensor elements arranged at an angle to one another or a two-dimensional array of sensor elements.
  • the method can be adapted to a large number of different conditions.
  • the arithmetic unit can detect superimposing measurements of several condensate droplets by means of error detection algorithms, whereby on the one hand the counting accuracy and on the other hand also the counting limit can be increased.
  • FIG. 1 shows a particle counting device according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the counting unit of the device according to the invention in accordance with a first embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the counting unit of the device according to the invention in accordance with a second embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the counting unit of the device according to the invention in accordance with a third embodiment
  • Fig. 5 is an illustration of the optical path of the embodiment of Fig. 4;
  • FIG. 6 is a schematic representation of the counting unit of the device according to the invention in accordance with a fourth embodiment
  • Fig. 6a is a diagram of the signal intensities calculated for the detector array of Fig. 6;
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the counting unit of the device according to the invention in accordance with a fifth embodiment
  • 8 shows a schematic representation of the counting unit of the device according to the invention in accordance with a sixth embodiment
  • 9 is a schematic representation of the counting unit of the device according to the invention according to a seventh embodiment; 10 is a diagrammatic representation of second consecutive counts of a one-dimensional counting unit;
  • Fig. 1 1 a and 1 1 b a comparison of the detection of a measuring surface with a linear sensor unit and with two angularly arranged sensor units;
  • FIG. 12 shows a schematic illustration of a linear sensor unit for explaining the minimum measuring distance between two particles
  • FIG. 14 shows a diagram of the temporal resolution of the measurement result of two closely successive condensate droplets
  • FIG. 15 shows an illustration of a condensate droplet modeled for a simulation
  • 15a is a diagram of the light intensity calculated for the condensate droplets of FIG. 15 as a function of the polar angle ⁇ .
  • a particle counter which essentially comprises a saturation unit 2 with a storage container 15 for a resource 3, a condensation unit 4 downstream in the flow direction of the saturation unit 2 and a counting unit 5 through which a measurement channel 1 for the measurement fluid passes.
  • the measuring fluid with the particles to be counted first passes in the measuring channel 1 through an inlet 22 into the saturation unit 2, in which a saturated atmosphere is produced with the aid of the operating medium, for example butanol.
  • the operating medium can be supplied, for example, via a porous wall layer or a Wiek 16, the flow channel in the interior of the saturation unit.
  • the temperature in the saturation block may be 25 ° C may be maintained, if appropriate by suitable heating means (not shown).
  • the measuring channel 1 leads the measuring fluid into a subsequent condensation block 4, in which the temperature of the fluid flow is reduced by cooling to, for example, about 8 ° C., whereby condensate forms on the particles.
  • each particle grows to a condensate droplets 6, which is sufficiently large to be detected by the following counting unit 5 can.
  • the original particles may be present, for example, in the order of -100 nm, wherein the condensate droplets 6, for example, grow to a diameter of about 5-20 ⁇ . Since the particles act only as condensation nuclei, their size has only a minor effect on the size of the condensate droplets 6.
  • the grown particles enter a counting unit 5, which is shown only schematically in Fig. 1. Subsequent to the counting unit 5, a vacuum pump is provided (not shown), which ensures the flow path.
  • a laser light source 7 and a light sensor 9 are arranged so that the change in the light incident from the light sensor 9, which occurs when a condensate droplet 6 passes through the beam path of the laser light source 7, registered by a computing unit 1 1 and for counting the particles is evaluated.
  • the laser light could then be focused so that each condensate droplet 6 caused a sufficiently strong change in the light incidence measured by the light sensor in order to be able to measure the condensate droplet with a sufficiently high counting accuracy.
  • the subject invention utilizes an improved counting unit 5, schematically illustrated in FIG. 1, with which it is possible to supply the condensate droplets 6 also over a large cross-sectional area no separation of the condensate droplets 6 takes place, and can pass through the many condensate droplets 6 simultaneously to reliably measure.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of the counting unit 5 according to the subject invention.
  • a flat laser beam is generated by a laser light source 7, which is located in Form of a substantially two-dimensional carpet of light 8 extends across the cross section of the measuring channel 1 for the particle flow.
  • the carpet of light 8 spans substantially the entire cross-section of the measuring channel 1 and impinges on the laser light source 7 opposite side of the measuring channel 1 on an elongated light sensor 9, which has a plurality of individual sensor elements 10 along its longitudinal extent.
  • a condensate droplet 6 passes the carpet of light 8, this weakens the laser intensity at this point and therefore causes a signal drop at the corresponding sensor element 10.
  • the measurement performed by this light sensor 9 is therefore referred to as a bright field measurement, and accordingly the light sensor 9 can be used as a bright field Light sensor can be called.
  • Each condensate droplet 6 consists of a small, generally opaque particle core, around which the condensate droplet 6 has formed as a generally translucent spherical droplet.
  • a laser beam strikes this condensate droplet 6, different light diffraction, light scattering and refraction processes occur which are characteristic of the condensate droplet 6
  • Scattering intensity depending on the polar angle lead Due to the scattering intensity, which starts from a condensate droplet 6 as a function of the light exit angle, a signal increase at one or more adjacent sensor elements 10 can occur simultaneously with the signal drop in a first sensor element 10. An evaluation of the respective signal pattern allows a conclusion to the point at which the condensate droplets 6 has traversed the carpet of light.
  • FIG. 15 schematically illustrates how the light incident on a condensate droplet 6 (represented by the large arrow) is scattered, the intensity of the scattered light (represented by small arrows) being dependent on a spherical detector 23 from the polar angle ⁇ was calculated using a simulation model.
  • a shield 12 is arranged, so that only the scattered light impinges on the spherical detector 23.
  • FIG. 15 a shows a diagram of the light intensity calculated for the condensate droplet 6 of FIG. 15 as a function of the polar angle ⁇ . It can be seen that the scattered light at a low polar angle ⁇ is the strongest, the maximum in the range of ⁇ ⁇ 15 ° occurs. The intensity then decreases sharply with increasing polar angle, and reaches minimum values in the range between approximately 80 ° and 140 °. A smaller peak value can be recognized in the range between approximately 150 ° and 180 °, which corresponds to the range of retroreflection.
  • a light sensor 9 ' may be provided outside the plane of the carpet of light 8, which caused by a condensate droplets 6 stray light as a signal increase.
  • a light sensor 9 ' is referred to as a dark field light sensor and is indicated in FIG. 2 by the reference numeral 9'.
  • the dark field light sensor 9 ' has in the illustrated embodiment, a plurality of linearly arranged sensor elements 10', wherein for a dark field light sensor, other arrangements for the sensor elements 10 'in question, since they are not linear in the plane of the carpet of light. 8 must be arranged.
  • the light sensor 9 ' measures with each condensate droplets 6, which passes through the carpet of light 8, with its sensor elements 10', a signal pattern, which may differ depending on the passage place of the condensate droplet 6 and which can be evaluated for particle counting.
  • a single linear light sensor 9, 9 ' can be sufficient to carry out a count with admissible accuracy, this can be insufficient for many applications.
  • the accuracy of the counting can therefore be increased by evaluating the signals measured by the two light sensors 9 and 9 'jointly with the embodiment shown in FIG. 2, that is to say combining a bright-field and a dark-field measurement.
  • the dark field light sensor 9 'measured pattern allow an accurate evaluation of the number of simultaneously present in the carpet 8 condensate droplets 6.
  • FIG. 3 shows a further embodiment according to the invention for the dark field measurement.
  • the carpet of light 8 is limited to the measuring channel 1 by a shield 12.
  • Behind the shield 12 is a lens unit 13, which in the case shown consists of two aspherical lenses.
  • the lens unit 13 serves to focus scattered light, which is deflected by condensate droplets 6 above or below the plane of the carpet of light 8 on the shield 12 over, so that it falls on a dark field light sensor 9 ', although in the plane of Luminous carpet 8 is arranged, but is shielded by the shield 12 from directly incident laser light.
  • a dark field light sensor 9 'behind the shield 12 in the plane of the carpet of light 8 is advantageous because it optimally utilizes the maximum light intensity of the stray field of the condensate droplet 6.
  • the dark field light sensor 9 'measurable yield of stray light can be maximized.
  • other optical elements and lenses may also be used, such as cylindrical lenses or prisms.
  • FIG. 3 results in a very pronounced signal pattern, in particular in the case of condensate droplets which pass through the carpet of light 8 near the focal point, which is preferably arranged in the middle of the measuring channel, and condensate droplets 6 which are in the vicinity of the focusing line 17, produce clearly distinct signal patterns, and where the respective different signal patterns allow conclusions to be drawn about the passage point.
  • the term "focal line” refers to the line through the focal point that runs parallel to the light sensor 9 '
  • this embodiment is only suitable for measuring channels 1 with a small diameter or with a shallow depth
  • a diaphragm 18 may be provided between the two aspherical lenses of the lens assembly 13, as shown in Fig. 4. With this arrangement it possible, regardless of the Position of the condensate droplet 6 in the carpet of light 8 clear signals from the light sensor 9 'to obtain.
  • Fig. 5 illustrates the operation of such a panel in a sectional view taken along the plane of the carpet of light 8 of the device shown in Fig. 4.
  • FIG. 6 shows a further advantageous embodiment of the counting unit 5 of the device according to the invention, in which case the plane of the light carpet 8 is arranged at an angle of 45 ° to the flow direction of the measuring channel 1.
  • a light sensor 9 ' is arranged with a two-dimensional arrangement of sensor elements 10', for example an image sensor, which may be designed as a CCD or CMOS sensor, or may have another known type.
  • FIG. 6 leads to a sharp image recording of each condensate droplet 6, which traverses the carpet of light 8, regardless of its position in the measuring surface, since the entire measuring range lies in the object plane of the lens unit 13.
  • FIG. 6a shows the signal distribution effected by five condensate droplets 6a-6e on a two-dimensional sensor field, wherein five pronounced peak values can be seen, which each represent a condensate droplet 6a-6e.
  • the measurement diagram shown in FIG. 6a was obtained by a simulation of a test arrangement according to FIG.
  • Fig. 6a shows the intensity distribution as a function of the pixel position of the two-dimensional light sensor 9 '. As can be seen from FIG. 6a, all condensate droplets 6a-6e are clearly imaged by the light sensor, regardless of their position. In the arrangement of Fig. 6, in which the optical axis is oriented at a right angle to the plane of the carpet of light 8, a value of 6.75 ⁇ 10 -8 W was determined for the detected scattered-light energy at the detector to the quality and measurement accuracy of the light sensor 9 '.
  • the inventors have sought an arrangement in which the optical axis of the lens array is at a lower angle to the plane of the carpet of light so that scattered light having a higher intensity can be received by the light sensor.
  • the scattered light intensity at a polar angle to the laser beam axis of 90 ° is very small, but it increases sharply at a smaller polar angle.
  • FIG. 7 shows a further embodiment in which the objective axis of the lens unit 13 is aligned at an angle of 45 ° to the plane of the light carpet 8, so that the measurable scattered light intensity is increased at this angle.
  • This arrangement corresponds to the Scheimpflug condition:
  • This geometric principle describes the alignment of the object plane 19 of an optical system when the image plane 21 is not aligned parallel to the lens plane 20.
  • the condition for maximum sharpness is that the object 19, image 21 and lens plane 20 intersect in a common straight line.
  • the assembly was simulated under the same conditions set forth above for Fig. 6, and a value of 1.59 x 10 -6 W was determined for the energy received by a single condensate droplet from the light sensor 9 '. This corresponds to an improvement in the luminous efficacy by a factor of about 25, compared with the arrangement according to FIG. 6.
  • Fig. 8 shows a further embodiment for the dark field measurement, in which no lens arrangement is required.
  • the linear light sensor 9 ' is preceded by a fiber bundle unit 14.
  • Optical fiber bundles are fields of individual fiber optic cables with a specific numerical aperture. By using low numerical aperture beams, only the light from certain areas penetrates through the fiber bundles. As a result, stray light can be directed to the sensor elements 10 'of the light sensor 9' in a targeted manner in order to detect condensate droplets 6 in a specific region of the measuring surface. Each of the sensor elements 10 'can thereby be assigned a specific area of the measuring area.
  • FIG. 9 shows a further arrangement in which a bright field light sensor 9 is used, which is arranged in the plane of the light carpet 8.
  • a lens arrangement 13 with an aperture 18 is provided between the light sensor 9 and the measuring area (ie the area of the carpet of light 8, which lies within the cross section of the measuring channel 1).
  • a fiber bundle unit could alternatively also be used.
  • FIG. 9 Experiments carried out by means of an arrangement according to FIG. 9 revealed distinct signal patterns, irrespective of the position of the condensate droplets 6, whereby considerations were made as to how the coincidence probability can be reduced in order to increase the reliability and the counting limit.
  • FIGS. 10 to 14 show some approaches which should be taken into account in minimizing the coincidence probability.
  • FIG. 10 shows a signal of a single sensor element with two countable pulses ⁇ i and l 2 following one behind the other.
  • the pulse count is performed based on a threshold value S. This results in a minimum time Tm at which the two consecutive pulses li, l 2 are detected as two separate signals.
  • the time span T d j corresponds to the pulse length of a pulse ⁇ ⁇ ⁇ with a predetermined threshold value S.
  • FIG. 1 1 a and 1 1 b Another possible cause of Konizidenzfalls is illustrated in Fig. 1 1 a and 1 1 b, wherein two sensor arrangements are compared.
  • three condensate droplets 6a, 6b, 6c pass through the carpet of light at the same time, with a light sensor 9 having a plurality of linearly arranged sensor elements 10 being provided on the left side, as is used, for example, in the embodiment of FIG. 9 for brightfield detection , From the point of view of the light sensor 9, a condensate droplet 6a is covered by the condensate droplet 6b in front of it, so that the sensor detects the two condensate droplets 6a, 6b as a single condensate droplet.
  • two light sensors 9a, 9b each with a plurality of linearly arranged sensor elements 10a, 10b, can be arranged at an angle to each other, as shown in FIG. 11b, wherein each light sensor 9a, 9b a separate lighting device and optionally a separate lens unit may be associated (lens units and lighting devices are not shown in the schematic representation of Fig. 1 1 a and 1 1 b for reasons of clarity).
  • a separate lighting device and optionally a separate lens unit may be associated (lens units and lighting devices are not shown in the schematic representation of Fig. 1 1 a and 1 1 b for reasons of clarity).
  • a correct count lateral minimum distance x min relative to the longitudinal axis of the light sensor 9
  • Condensate droplets that fall below this lateral distance are detected by the light sensor 9 as a condensate droplets.
  • the influencing factors on the counting accuracy set out above can be determined and evaluated experimentally, computationally or by simulation on the basis of a specific parameterization, in particular by a suitable adjustment of the thickness d and the intensity of the carpet of light, the size of the measuring surface Speed of the fluid flow, the particle density and particle distribution in the fluid flow, the size of the condensate droplets, the time resolution and sensitivity of the sensor unit and the selection and arrangement of the measuring device to achieve optimum counting accuracy.
  • a suitable adjustment of the thickness d and the intensity of the carpet of light in particular by a suitable adjustment of the thickness d and the intensity of the carpet of light, the size of the measuring surface Speed of the fluid flow, the particle density and particle distribution in the fluid flow, the size of the condensate droplets, the time resolution and sensitivity of the sensor unit and the selection and arrangement of the measuring device to achieve optimum counting accuracy.
  • a suitable adjustment of the thickness d and the intensity of the carpet of light in particular by a suitable adjustment of the thickness d and the intensity of the carpet of light
  • the time profile of the measurement signal of one or more sensor elements can be used, as shown schematically in Fig. 13 and 14, for example.
  • the right-hand side of FIG. 13 shows a diagram with the voltage profile of a detection of two closely successive condensate droplets measured by a sensor element. These condensate droplets 6a and 6b are shown schematically on the left side of FIG. 13 in front of the carpet of light 8 with the thickness d.
  • the voltage curve first rises from a base level V 0 to a first value V- 1 , which indicates that the first condensate droplet 6a is located completely in the area of the carpet of light.
  • the count limit can be corrected over a wide range using statistical methods such as the evaluation by applying the Lambert-W function assuming a Poisson distribution , Error corrections can not only be applied to the signal values of individual sensor elements, but also the measured values of several sensor elements can be used for the error correction, as illustrated in FIG.
  • a chronological sequence of measuring steps of eight linearly juxtaposed sensor elements 10a-10h is shown, which could arise, for example, when two condensate droplets 6a, 6b traverse the region of the carpet of light scanned by these sensor elements 10a-10h, the condensate droplets emerging partially obscure the view of the light sensor.

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung der Anzahl an Feststoffpartikeln in einem Fluidstrom, insbesondere in Abgasen von Verbrennungskraftmotoren. Die Vorrichtung weist einen Messkanal (1) für den zu messenden Fluidstrom, eine Sättigungseinheit (2) zu Sättigung des Fluids mit Dämpfen eines Betriebsmittels (3), eine Kondensationseinheit (4) zum Abkühlen des Fluidstroms und eine Zähleinheit (5) zum Zählen der beim Abkühlen an den Partikeln gebildeten Kondensattröpfchen (6) auf. Die die Zähleinheit (5) weist eine Beleuchtungsvorrichtung (7), zumindest einen Lichtsensor (9) und eine mit dem Lichtsensor (9) verbundene Recheneinheit (11) zur Ermittlung der Anzahl an Feststoffpartikeln auf. Die Beleuchtungsvorrichtung (7) erzeugt einen an einer Schnittebene durch den Messkanal (1) angeordneten Lichtteppich (8), der eine Messfläche definiert, die sich im Wesentlichen über den gesamten Querschnittsbereich des Messkanals (1) erstreckt. Der Lichtsensor (9) weist zur Abtastung der gesamten Erstreckung der Messfläche eine Vielzahl an Sensorelementen (10) auf.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung der Anzahl an Feststoff Partikeln in einem
Fluidstrom
Die gegenständliche Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung der Anzahl an Feststoffpartikeln in einem Fluidstrom, insbesondere in Abgasen von Verbren- nungskraftmotoren. Die Vorrichtung weist einen Messkanal für den zu messenden Fluidstrom, eines Sättigungseinheit zur Sättigung des Fluids mit Dämpfen eines Betriebsmittels, eine Kondensationseinheit zum Abkühlen des Fluidstroms und eine Zähleinheit zum Zählen der beim Abkühlen an den Partikeln gebildeten Kondensattröpfchen auf, wobei die Zähleinheit eine Beleuchtungsvorrichtung, zumindest einen Lichtsensor und eine mit dem
Lichtsensor verbundene Recheneinheit zur Ermittlung der Anzahl an Partikeln aufweist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durchläuft der zu messende Fluidstrom den Messkanal.
Mit den gewachsenen Anforderungen an die Umweltverträglichkeit von Verbrennungskraftmaschinen kommt der Entwicklung zuverlässiger Vorrichtungen für die Messung der Anzahl an Feststoffpartikeln bei der Entwicklung und den Tests solcher Maschinen eine stetig steigende Bedeutung zu. Dabei unterscheidet man zwischen einer integralen Partikelmessung, bei der aufgrund eines Detektionsergebnisses mithilfe statistischer Berechnungen auf die gesamte Partikeldichte geschlossen wird, und einer Partikelzählung, bei der jedes einzelne Partikel im Fluidstrom detektiert und die Gesamtanzahl der im Fluidstrom vorhandenen Par- tikel gezählt wird.
Um eine zuverlässige Zählung aller Partikel zu gewährleisten, sind Partikelzähler des Standes der Technik als eindimensionale Partikelzähler ausgeführt, bei denen der Partikelstrom nach der Kondensationseinheit durch eine Vereinzelungsdüse geführt ist. Die Partikel können daher mit einer ausreichend hohen Wahrscheinlichkeit vereinzelt, d. h. eines nach dem anderen, aus der Düse austreten, um eine Zählung der einzelnen Partikel möglichst ohne Koinzidenzen zu ermöglichen. Am Ausgang der Düse ist dann die Zähleinheit angeordnet. Diese weist eine Beleuchtungseinheit auf, mit der der Bereich hinter der Austrittsöffnung der Düse im Allgemeinen mit Laserlicht beleuchtet wird, das von den Partikeln, die aus der Düse austreten gestreut wird. Die Streuung wird von einem Lichtsensor gemessen und die Streu- ungsereignisse werden gezählt. Dabei unterscheidet man zwischen einer Hellfeldmessung, bei der der Sensor den Laserstrahl erfasst und die vom Partikel bedingte Verdunkelung detektiert, und einer Dunkelfeldmessung, bei der der Sensor vor direkt auftreffenden Laserlicht geschützt ist und das Streulicht, das entsteht, wenn ein Partikel den Laserstrahl durchfliegt, in Form eines Lichtblitzes gemessen wird. Aufgrund der Vereinzelungsdüse bewegen sich dabei die zu messenden Partikel in der Regel mit hohen Geschwindigkeiten von beispiels- weise etwa 10 - 100 m/s durch das Detektionsvolumen. Die hohen Durchtrittsgeschwindigkeiten sowie die relativ kleine Größe der aufkondensierten Tröpfchen (ca. 5-20μηι) erfordern hier eine hohe Sensitivität und eine hohe zeitliche Auflösung der Sensoren.
Partikelzähler des Standes der Technik sind derzeit in der Lage, Fluida mit einer Partikel- dichte von bis zu 20000 Partikeln / cm3 zu bewältigen. Dieses Zähllimit wird in erster Linie durch die Koinzidenzwahrscheinlichkeit bestimmt. Koinzidenz tritt auf wenn zwei Partikel so knapp hintereinander den Laserstrahl passieren, dass statt zweier einzelner Impulse nur ein Impuls detektiert wird. Es ist ein Ziel der gegenständlichen Erfindung, das Zähllimit und gleichzeitig die Zuverlässigkeit der Zählung erheblich zu erhöhen. Erfindungsgemäß wird dieses und andere Ziele durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erreicht, bei der mit der Beleuchtungsvorrichtung ein an einer Schnittebene durch den Messkanal angeordneten Lichtteppich erzeugbar ist, der eine Messfläche definiert, die sich im Wesentlichen über den gesamten Querschnittsbereich des Messkanals erstreckt, und bei der der Lichtsensor zur Abtastung der gesamten Erstreckung der Messflä- che eine Vielzahl an Sensorelementen aufweist. Dadurch ist es möglich, die Partikelzählung über einem flächigen Bereich vorzunehmen, sodass keine Vereinzelungsdüse erforderlich ist. Dadurch wird bei vergleichbarem Volumenstrom die Geschwindigkeit der Kondensattröpfchen im Bereich der Zähleinheit verringert, sodass die Anforderungen an die Zeitauflösung des Sensorelements verringert werden. Das Zähllimit kann durch eine Vergrößerung der Anzahl an Sensorelementen, die auf dem Lichtsensor vorgesehen sind, erhöht werden. Unter dem Begriff„Abtasten" wird ein Messvorgang und das Erkennen des Durchtritts eines Kondensattröpfchens durch den Lichtteppich verstanden. Unter Lichtteppich wird hier eine Anordnung verstanden, deren flächenmäßige zweidimensionale Erstreckung die Dicke, also Ausdehnung in einer dritten Dimension (nachfolgend als Dicke d des Lichtteppichs bezeich- net), deutlich überwiegt.
Um die Detektionsgenauigkeit zu erhöhen kann in vorteilhafter Weise die Beleuchtungsvorrichtung zumindest eine Laserlichtquelle aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Lichtsensor zumindest eine lineare Anordnung einer Vielzahl an Sensorelementen aufweisen, wodurch eine sehr einfache Sensoran- Ordnung möglich ist.„Lineare" Anordnung bedeutet hier das vorzugsweise unmittelbar benachbarte neben- oder hintereinander (z.B. zeilenartige) Anordnen der Sensorelemente.
Um die Detektionsgenauigkeit weiter zu erhöhen, können beispielsweise auch zwei lineare Anordnungen einer Vielzahl an Sensorelementen in einer winkligen Konfiguration, zum Beispiel im rechten Winkel zueinander, angeordnet sein. Dadurch lassen sich Fehlzählungen, die aufgrund überlappender Kondensattröpfchen entstehen, verhindern, wodurch die Zählgrenze erhöht wird. In einer Variante der Erfindung befinden sich die zwei linearen Anordnungen dabei beide in der Ebene des Lichtteppichs.
Als„Zählgrenze" wird im Zusammenhang mit der gegenständlichen Erfindung die Partikel- konzentration bezeichnet, die mit einer bestimmten Konfiguration und unter bestimmten Fließbedingungen zuverlässig gezählt werden kann. Als zuverlässig kann ein Zählverfahren dann bezeichnet werden, wenn es einen vorgegebenen Zuverlässigkeitswert, der zum Beispiel als Prozentangabe nicht detektierter Partikel definiert sein kann, erreicht. Für bestimmte Anwendungen könnte die tolerierbare Koinzidenzwahrscheinlichkeit beispielsweise 10 % betragen. Das würde in der Praxis bedeuten, dass von den 20000 Partikeln / cm3 maximal 2000 Partikel nicht detektiert würden. Können zwei Partikel nicht mehr unabhängig voneina- der gezählt bzw. aufgelöst werden so wird dieser Sachverhalt als„Koinzidenz" bezeichnet. Die Koinzidenzwahrscheinlichkeit entspricht daher dem Verhältnis der Anzahl nicht detektierter Partikel zur Gesamtpartikelanzahl. In vorteilhafter Weise kann dem Lichtsensor zur Fokussierung von Streulicht zumindest eine optische Faserbündeleinheit vorgelagert sein. Dadurch lässt sich die Zuverlässigkeit der Zählung erhöhen, da mit der Faserbündeleinheit bestimmte Bereiche der Messfläche bestimmten Sensorelementen zuordenbar sind.
Weiters kann der Lichtsensor (oder gegebenenfalls mehrere der Lichtsensoren) in vorteilhaf- ter Weise in der Schnittebene angeordnet sein. Dadurch lässt sich sowohl bei der Hellfeldmessung, als auch bei der Dunkelfeldmessung eine gute Lichtdetektion erreichen. Wie eingangs erwähnt ist der Lichtteppich Teil der Schnittebene.
Für eine Hellfeldmessung kann dazu der Lichtsensor zur direkten Messung des Lichts des Lichtteppichs angeordnet sein, d.h. dass der Lichtsensor so in der Schnittebene angeordnet ist, dass das Licht der Beleuchtungsvorrichtung direkt und ohne dazwischen angeordnete Elemente auf die Sensorelemente trifft.
In vorteilhafter Weise kann dabei zwischen dem Lichtsensor und dem Messkanal eine Linseneinheit, gegebenenfalls mit einer Blende, angeordnet sein, um für jedes Kondensattröpfchen ein schärferes Sensorsignal zu erhalten. Um mit einem in der Schnittebene angeordneten Lichtsensor eine Dunkelfeldmessung zu realisieren, kann der Lichtsensor erfindungsgemäß durch eine Abschirmung vom Strahlengang des Lichtteppichs abgeschirmt sein, wobei vorzugsweise zwischen der Abschirmung und dem Lichtsensor zumindest eine Linseneinheit zur Fokussierung von Streulicht angeordnet sein kann. Durch die Abschirmung kann die Sensoreinheit auch bei einer Dunkelfeld- messung in der Schnittebene angeordnet sein, wodurch es in Verbindung mit der Linseneinheit möglich ist, mit der Sensoreinheit einen besonders hoher Anteil des Streulichts zu messen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die zumindest eine Linseneinheit eine Blen- denanordnung aufweisen. Dies erhöht die Schärfentiefe der Linseneinheit für die Partikelde- tektion, wodurch Kondensattröpfchen im gesamten Bereich der Messfläche zuverlässig de- tektiert werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Normale auf die Schnittebene mit der Achse des Messkanals einen Scheitelwinkel α zwischen 30° und 60°, vorzugsweise 45°, einschließen. Dies erlaubt eine vorteilhafte Verwendung zweidimensionaler Lichtdetektoren, wie zum Beispiel CCD- und CMOS-Bildsensoren. Durch die schräge Schnittebene können diese Sensoren außerhalb des Messkanals angeordnet sein.
Dabei kann der Lichtsensor in vorteilhafter Weise ein zweidimensionales Feld an Sensorelementen und eine Linseneinheit aufweisen, wobei vorzugsweise die optische Achse der Ein- heit aus Lichtsensor und Linseneinheit im Wesentlichen normal auf die Messfläche ausgerichtet ist. Dadurch kann das Sensorelement auf die Messfläche fokussiert werden, um die durch den Lichtteppich hindurchtretenden Kondensattröpfchen über die gesamte Messfläche genau zu detektieren.„Im Wesentlichen normal" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die optische Achse so ausgerichtet ist, dass sich der Bereich der Schärfentiefe der Linsena- nordnung, der zur Messung von Kondensattröpfchen geeignet ist, sich über den gesamten Bereich der Messfläche erstreckt.
In einer Variante der Erfindung weist der Lichtsensor erfindungsgemäß ein zweidimensionales Feld an Sensorelementen und eine Linseneinheit auf, wobei vorzugsweise die Ausrichtung der Objektivhauptebene der Linseneinheit, der Bildebene des Lichtsensors und der Ebene der Messfläche der Scheimpflugbedingung entspricht. Dadurch lässt sich ein vorteilhafter Winkel für die Fokussierebene wählen, wodurch der Anteil des von einem Partikel gestreuten Lichts erhöht werden kann.
Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur Ermittlung der Anzahl an Feststoffpartikeln in einem Fluidstrom, insbesondere in Abgasen von Verbrennungskraftmotoren, wobei der zu messende Fluidstrom einen Messkanal durchläuft, der eine Sättigungseinheit, in der das
Fluid mit Dämpfen eines Betriebsmittels gesättigt wird, eine Kondensationseinheit, in der der Fluidstrom abgekühlt wird, und eine Zähleinheit, in der die beim Abkühlen an den Partikeln gebildeten Kondensattröpfchen gezählt werden, aufweist. Erfindungsgemäß kann im Bereich der Zähleinheit eine Schnittebene durch den Messkanal eine Messfläche definieren, an wel- eher zur Beleuchtung der durch die Messfläche hindurchtretenden Kondensattröpfchen ein Lichtteppich erzeugt wird, wobei die von den Kondensattröpfchen beim Durchqueren des Lichtteppichs bewirkten Lichtablenkungen in Abhängigkeit vom Durchtrittsort durch den Lichtteppich von zumindest einem Sensorelement eines eine Vielzahl an Sensorelementen umfassenden Lichtsensors gemessen werden und wobei die Messungen von einer Recheneinheit zur Ermittlung der Anzahl an Feststoffpartikeln ausgewertet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, Kondensattröpfchen über den gesamten flächigen Bereich der Messfläche, die vom Lichtteppich überspannt wird, gleichzeitig zu messen, sodass das Erfordernis einer Vereinzelungsdüse entfällt. Durch die ortsabhängige Mes- sung lassen sich Detektionsfehler, die auftreten können, wenn mehrere Partikel gleichzeitig durch den Lichtteppich hindurchtreten, vermeiden.
In vorteilhafter Weise kann dabei der Lichtteppich mit vorzugsweise hoch-kollimiertem Laserlicht gebildet werden, um die Messgenauigkeit zu erhöhen. Unter dem Begriff„hoch- kollimiert" wird im Zusammenhang mit der gegenständlichen Anmeldung insbesondere ein Laserlichtteppich verstanden, bei dem die Strahldivergenz in Lichtteppichebene maximal 0,1 mrad beträgt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Licht des Lichtteppichs und/oder Streulicht mittels Blenden- bzw. Abschirmsystemen selektiv abgeschirmt werden. Dadurch kann ein gewünschter Strahlengang definiert bzw. ein unerwünschter Strahlengang verhindert wer- den.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sich die Messfläche über den gesamten vom Partikelstrom durchquerten Teil der Querschnittsfläche, vorzugsweise im Wesentlichen über die gesamte Querschnittsfläche des Messkanals, erstrecken. Dadurch werden Fehlzählungen minimiert und somit das Zähllimit deutlich ange- hoben.
Bevorzugter Weise kann das Verhältnis der Breite der Messfläche zum mittleren Durchmesser der Kondensattröpfchen größer als 100, vorzugsweise größer als 500 und besonders bevorzugt größer als 1000 sein. Eine Vergrößerung der Messfläche, bezogen auf die Größe der Kondensattröpfchen, erlaubt eine Erhöhung der Zählgrenze. Die oben genannten Zah- lenwerte bedeuten dabei, dass die Breite der Messfläche dem 100-, 500- bzw. 1000-fachen des mittleren Durchmessers der Kondensattröpfchen entspricht.
In vorteilhafter Weise können zumindest zwei oder mehrere der folgenden Parameter zur Optimierung der Zählgenauigkeit aufeinander abgestimmt werden: Die Dicke d des Lichtteppichs, die Größe der Messfläche, die Geschwindigkeit des Fluidstroms, die Partikeldichte im Fluidstrom, die Partikelverteilung im Fluidstrom, die Größe der Kondensattröpfchen, die Zeitauflösung der Sensoreinheit. Dabei wird, insbesondere bei einer Dunkelfeldmessung, die Zählgrenze angehoben, wenn die Dicke d des Lichtteppichs verringert wird.
In vorteilhafter Weise kann die Lichtablenkung von Lichtsensoren gemessen werden, die zumindest eine lineare Anordnung einer Vielzahl an Sensorelementen oder zwei in einem Winkel zueinander angeordnete lineare Anordnungen einer Vielzahl an Sensorelementen oder ein zweidimensionales Feld an Sensorelementen aufweisen. Das Verfahren lässt sich dadurch an eine Vielzahl unterschiedlicher Bedingungen anpassen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Recheneinheit über- läppende Messungen mehrerer Kondensattröpfchen mittels Fehlererkennungsalgorithmen erkennen, wodurch einerseits die Zählgenauigkeit und andererseits auch das Zähllimit erhöht werden kann.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 15a näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Aus- gestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt
Fig.1 eine erfindungsgemäße Partikelzählvorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Zähleinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Zähleinheit der erfindungsgemäßen Vorrich- tung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Zähleinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
Fig. 5 eine Darstellung des Strahlengangs der Ausführungsform der Fig. 4;
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Zähleinheit der erfindungsgemäßen Vorrich- tung gemäß einer vierten Ausführungsform;
Fig. 6a ein Diagramm der für das Detektorfeld der Fig. 6 berechneten Signalintensitäten;
Fig. 7 eine schematische Darstellung der Zähleinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform; Fig. 8 eine schematische Darstellung der Zähleinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform;
Fig. 9 eine schematische Darstellung der Zähleinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer siebenten Ausführungsform; Fig. 10 eine diagrammhafte Darstellung zweiter aufeinanderfolgender Zählimpulse einer eindimensionalen Zähleinheit;
Fig. 1 1 a und 1 1 b eine Gegenüberstellung der Detektion einer Messfläche mit einer linearen Sensoreinheit und mit zwei winkelig angeordneten Sensoreinheiten;
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer linearen Sensoreinheit zur Erläuterung des minimalen Messabstandes zwischen zwei Partikeln;
Fig. 13 eine diagrammhafte Darstellung des Messergebnisses bei zwei knapp aufeinanderfolgenden Kondensattröpfchen;
Fig. 14 ein Diagramm der zeitlichen Auflösung des Messergebnisses zweier eng aufeinanderfolgender Kondensattröpfchen; Fig. 15 eine Darstellung eines für eine Simulation modellierten Kondensattröpfchens; und
Fig. 15a ein Diagramm der für das Kondensattröpfchen der Fig. 15 berechneten Lichtintensität in Abhängigkeit vom Polarwinkel φ.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung werden aus Gründen der Übersichtlichkeit gleichartige Elemente jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen versehen, wobei die Bezugszeichen ausschließlich dem Verständnis dienen und nicht einschränkend auszulegen sind.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Partikelzähler, der im Wesentlichen aus einer Sättigungseinheit 2 mit einem Vorratsbehälter 15 für ein Betriebsmittel 3, einer in Strömungsrichtung der Sättigungseinheit 2 nachgelagerten Kondensationseinheit 4 und einer Zähleinheit 5 aufgebaut ist, durch die ein Messkanal 1 für das Messfluid verläuft. Das Messfluid mit dem zu zählende Partikeln gelangt in dem Messkanal 1 durch einen Einlass 22 zuerst in die Sättigungseinheit 2, in der mithilfe des Betriebsmittels, z.B. Butanol, eine gesättigte Atmosphäre erzeugt wird. Das Betriebsmittel kann zum Beispiel über eine poröse Wandschicht bzw. ein Wiek 16, dem Strömungskanal im Inneren der Sättigungseinheit zugeführt werden. Im Fall von Butanol als Betriebsmittel kann die Temperatur im Sättigungsblock beispielsweise 25 °C betragen, wobei diese gegebenenfalls durch geeignete Heizmittel (nicht dargestellt) aufrechterhalten werden kann.
Nach der Sättigungseinheit 2 führt der Messkanal 1 das Messfluid in einen nachfolgenden Kondensationsblock 4, in dem die Temperatur des Fluidstroms durch Kühlung auf beispiels- weise etwa 8 °C verringert wird, wobei sich an den Partikeln Kondensat bildet. Dadurch wächst jedes Partikel zu einem Kondensattröpfchen 6, das ausreichend groß ist, um von der nachfolgenden Zähleinheit 5 detektiert werden zu können. Bei der Messung von Abgasen können die ursprünglichen Partikel beispielsweise in der Größenordnung von -100 nm vorliegen, wobei die Kondensattröpfchen 6 beispielsweise auf einen Durchmesser von etwa 5- 20 μηη anwachsen. Da die Partikel lediglich als Kondensationskeime wirken, wirkt sich deren Größe nur geringfügig auf die Größe der Kondensattröpfchen 6 aus. von der Kondensationseinheit 4, in der der Strömungsverlauf im Messkanal 1 üblicher Weise von unten nach oben verläuft, gelangen die angewachsenen Partikel in eine Zähleinheit 5, die in Fig. 1 nur schematisch dargestellt ist. Anschließend an die Zähleinheit 5 ist eine Vakuumpumpe vorgesehen (nicht dargestellt), die für den Strömungsverlauf sorgt.
In der Zähleinheit 5 sind eine Laserlichtquelle 7 und ein Lichtsensor 9 so angeordnet, dass die Änderung des vom Lichtsensor 9 gemessenen Lichteinfalls, die auftritt, wenn ein Kondensattröpfchen 6 den Strahlengang der Laserlichtquelle 7 durchquert, von einer Recheneinheit 1 1 registriert und zur Zählung der Partikel ausgewertet wird. Wie dies eingangs dargelegt ist, war es im Stand der Technik bislang erforderlich, vor der Messung den Teilchenstrahl mit einer Vereinzelungsdüse so zu verengen, dass die Kondensattröpfchen im Wesentlichen jeweils nur einzeln durch die Düse in die Zähleinheit gelangen konnten. Am Ausgang der Düse konnte dann das Laserlicht so fokussiert werden, dass jedes Kondensattröpfchen 6 eine ausreichend starke Veränderung des vom Lichtsensor gemesse- nen Lichteinfalls bewirkt hat, um das Kondensattröpfchen mit einer ausreichend hohen Zählgenauigkeit messen zu können.
Um die Nachteile und Einschränkungen, die diese Vereinzelungsdüse mit sich bringt, zu vermeiden, nutzt die gegenständliche Erfindung eine verbesserte Zähleinheit 5, die in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, mit der es möglich ist, die Kondensattröpfchen 6 auch über einen großen Querschnittsbereich, bei dem keine Vereinzelung der Kondensattröpfchen 6 erfolgt, und durch den zahlreiche Kondensattröpfchen 6 gleichzeitig durchtreten können, zuverlässig zu messen.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Zähleinheit 5 gemäß der gegenständlichen Erfindung. Dabei wird von einer Laserlichtquelle 7 ein flacher Laserstrahl erzeugt, der sich in Form eines im Wesentlichen zweidimensionalen Lichtteppichs 8 quer über den Querschnitt des Messkanals 1 für den Partikelstrom erstreckt. Der Lichtteppich 8 überspannt dabei im Wesentlichen den gesamten Querschnitt des Messkanals 1 und trifft auf der der Laserlichtquelle 7 gegenüberliegenden Seite des Messkanals 1 auf einen länglichen Lichtsensor 9, der entlang seiner Längserstreckung eine Vielzahl einzelner Sensorelemente 10 aufweist. Immer wenn ein Kondensattröpfchen 6 den Lichtteppich 8 passiert, schwächt dieses die Laserintensität an dieser Stelle ab und bewirkt daher einen Signalabfall an dem entsprechenden Sensorelement 10. Die von diesem Lichtsensor 9 durchgeführte Messung wird daher als Hellfeldmessung bezeichnet, und demgemäß kann der Lichtsensor 9 als Hellfeld-Lichtsensor bezeichnet werden.
Jedes Kondensattröpfchen 6 besteht aus einem kleinen, im Allgemeinen lichtundurchlässigen Partikelkern, um den herum sich das Kondensattröpfchen 6 als im Allgemeinen lichtdurchlässiger sphärischer Tropfen gebildet hat. Wenn ein Laserstrahl auf dieses Kondensattröpfchen 6 trifft, kommt es zu unterschiedlichen Lichtbeugungs-, Lichtstreuungs- und Lichtbrechungsvorgängen, die zu einer für das Kondensattröpfchen 6 charakteristischen
Streuungsintensität in Abhängigkeit des Polarwinkels führen. Aufgrund der Streuungsintensität, die von einem Kondensattröpfchen 6 in Abhängigkeit vom Lichtaustrittswinkel ausgeht, kann es gleichzeitig zum Signalabfall bei einem ersten Sensorelement 10 zu einem Signalanstieg bei einem oder mehreren benachbarten Sensorelementen 10 kommen. Eine Auswer- tung der jeweiligen Signalmuster lässt einen Rückschluss auf die Stelle zu, an der das Kondensattröpfchen 6 den Lichtteppich durchquert hat.
In Fig. 15 ist schematisch dargestellt, wie das auf ein Kondensattröpfchen 6 auftreffende Licht (das durch den großen Pfeil dargestellt ist) gestreut wird, wobei die Intensität des Streulichts (das durch kleine Pfeile dargestellt ist), das auf einen sphärischen Detektor 23 in Abhängigkeit vom Polarwinkel φ auftrifft, anhand eines Simulationsmodells berechnet wurde. In dem Modell ist hinter dem Kondensattröpfchen 6 in Beleuchtungsrichtung (also bei einem Polarwinkel von 0°) eine Abschirmung 12 angeordnet, sodass nur das Streulicht auf den sphärischen Detektor 23 auftrifft.
Fig. 15a zeigt ein Diagramm der für das Kondensattröpfchen 6 der Fig. 15 berechneten Lichtintensität in Abhängigkeit vom Polarwinkel φ. Dabei ist zu erkennen, dass das Streulicht bei einem geringen Polarwinkel φ am stärksten ist, wobei das Maximum im Bereich von φ < 15° auftritt. Die Intensität nimmt dann mit größer werdendem Polarwinkel stark ab, und erreicht im Bereich zwischen ca. 80° und 140° minimale Werte. Eine kleinere Wertspitze ist im Bereich zwischen ca. 150° und 180° zu erkennen, wobei dies dem Bereich der Retroreflexion entspricht. Neben der Abschwächung der Laserintensität des Lichtteppichs 8 in der Abdeckung eines Kondensattröpfchens 6 kann somit auch das von dem Kondensattröpfchen 6 ausgehende Streulicht ausgewertet werden, um das Kondensattröpfchen 6 zu detektieren. Anstelle des in der Ebene des Lichtteppichs 8 (d.h. der Schnittebene) angeordneten Lichtsensors 9 der Fig. 2, oder zusätzlich zu diesem, kann daher auch ein Lichtsensor 9' außerhalb der Ebene des Lichtteppichs 8 vorgesehen sein, der das von einem Kondensattröpfchen 6 bewirkte Streulicht als Signalanstieg misst. Ein solcher Lichtsensor 9' wird als Dunkelfeld-Lichtsensor bezeichnet und ist in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 9' gekennzeichnet.
Auch der Dunkelfeld-Lichtsensor 9' weist in der dargestellten Ausführungsform eine Vielzahl an linear angeordneten Sensorelementen 10' auf, wobei für einen Dunkelfeld-Lichtsensor auch andere Anordnungen für die Sensorelemente 10' in Frage kommen, da sie nicht linear in der Ebene des Lichtteppichs 8 angeordnet sein müssen.
Auch der Lichtsensor 9' misst bei jedem Kondensattröpfchen 6, das durch den Lichtteppich 8 hindurchtritt, mit seinen Sensorelementen 10' ein Signalmuster, das sich je nach Durchtritts- ort des Kondensattröpfchens 6 unterscheiden kann und das für die Partikelzählung ausgewertet werden kann.
Eine genaue Abstimmung der Auswertung auf die Art der gemessenen Partikeln und eine Kenntnis der unterschiedlichen Muster von Signalanstieg und -abfall an unterschiedlichen Sensorelementen 10, 10' ermöglicht eine Erkennung, ob das Signalmuster von einem ein- zelnen Kondensattröpfchen 6 oder von zwei oder mehr hintereinander liegenden, aus der Sicht des Lichtsensors 9, 9' überlappenden Kondensattröpfchen 6 erzeugt worden ist. Allerdings ist eine sichere Auswertung dieser Signalmuster nicht immer eindeutig möglich, sodass, je nach Erfordernis, komplexere Ausführungsformen erforderlich sein können. Um für eine bestimmte Anwendung die jeweiligen Muster und die entsprechenden Parameter für die Auswertung zu ermitteln sind genaue Test erforderlich, die zwar aufwendig sind, aber dennoch im Können eines Durchschnittsfachmanns liegen, der Kenntnis von den Lehren der gegenständlichen Offenbarung hat.
Auch wenn unter besonders günstigen Voraussetzungen ein einzelner linearer Lichtsensor 9, 9', sei es ein Dunkelfeld-Lichtsensor 9' oder ein Hellfeld-Lichtsensor 9, ausreichen kann, um eine Zählung mit zulässiger Genauigkeit durchzuführen, kann dies für viele Anwendungen unzureichend sein. Die Genauigkeit des Zählung kann daher erhöht werden, indem mit der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform die von beiden Lichtsensoren 9 und 9' gemessenen Signale gemeinsam ausgewertet werden, also eine Hellfeld- und eine Dunkelfeldmessung kombiniert werden. Insbesondere bei der Messung von aus der Sicht des Hellfeld- Lichtsensors 9 überlappender Kondensattröpfchen 6 kann das vom Dunkelfeld-Lichtsensor 9' gemessene Muster eine genaue Auswertung der Anzahl an zeitgleich im Lichteppich 8 vorhandener Kondensattröpfchen 6 ermöglichen.
In Fig. 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform für die Dunkelfeldmessung dargestellt. Dabei wird der Lichtteppich 8 nach dem Messkanal 1 von einer Abschirmung 12 begrenzt. Hinter der Abschirmung 12 befindet sich eine Linseneinheit 13, die im dargestellten Fall aus zwei asphärischen Linsen besteht. Die Linseneinheit 13 dient dazu, Streulicht, das von Kondensattröpfchen 6 ober- oder unterhalb der Ebene des Lichtteppichs 8 an der Abschirmung 12 vorbei abgelenkt wird, so zu fokussieren, dass es auf einen Dunkelfeld- Lichtsensor 9' fällt, der zwar in der Ebene des Lichtteppichs 8 angeordnet ist, aber durch die Abschirmung 12 vor direkt eintreffendem Laserlicht abgeschirmt ist. Die Anordnung eines Dunkelfeld-Lichtsensors 9' hinter der Abschirmung 12 in der Ebene des Lichtteppichs 8 ist vorteilhaft, da sie die maximale Lichtintensität des Streufeldes des Kondensattröpfchens 6 optimal ausnutzt. Somit kann durch die hinter der Abschirmung 12 vorgesehene Linsenanordnung 13 die vom Dunkelfeld-Lichtsensor 9' messbare Ausbeute an Streulicht maximiert werden. Um das Streulicht zu dem Lichtsensor 9' zu lenken, können auch andere optische Elemente und Linsen verwendet werden, wie zum Beispiel Zylinderlinsen oder Prismen.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform führt insbesondere bei Kondensattröpfchen, die den Lichtteppich 8 in der Nähe des Brennpunkts passieren, der vorzugsweise in der Mitte des Messkanals angeordnet ist, zu einem sehr ausgeprägten Signalmuster, wobei auch Kondensattröpfchen 6, die in der Nähe der Fokussierlinie 17 gemessen werden, klar ausgeprägte Signalmuster erzeugen, und wobei die jeweils unterschiedlichen Signalmuster Rückschlüsse auf den Durchtrittspunkt ermöglichen. Als„Fokussierlinie" wird in diesem Zusammenhang die Linie durch den Brennpunkt bezeichnet, die parallel zum Lichtsensor 9' verläuft. Bei Kondensattröpfchen 6, die vor und hinter der Fokussierlinie 17 den Lichtteppich 8 passieren, entsteht aufgrund der unterschiedlichen Tiefenschärfe der Linsenanordnung 13 ein weniger stark ausgeprägtes Signal, sodass auch dadurch Rückschlüsse auf den Durchtrittspunkt möglich sind. Da das Signal mit zunehmendem Abstand zur Fokussierlinie 17 sehr stark abnimmt, ist diese Ausführungsform jedoch nur für Messkanäle 1 mit geringem Durchmesser oder mit geringer Tiefe geeignet. Um die Schärfentiefe der Linsenanordnung 13 zu erhöhen, und dadurch eine Messung auch der Kondensattröpfchen 6 zu erleichtern, die weiter von der Fokussierlinie 17 entfernt sind, kann zwischen den beiden asphärischen Linsen der Linsenanordnung 13 eine Blende 18 vorgesehen sein, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Mit dieser Anordnung ist es möglich, unabhängig von der Position des Kondensattröpfchens 6 im Lichtteppich 8 deutliche Signale vom Lichtsensor 9' zu erhalten. Fig. 5 verdeutlicht die Wirkungsweise einer solchen Blende in einer Schnittansicht entlang der Ebene des Lichtteppichs 8 der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung.
In Fig. 6 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Zähleinheit 5 der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wobei in diesem Fall die Ebene des Lichtteppichs 8 in einem Winkel von 45° zur Strömungsrichtung des Messkanals 1 angeordnet ist. Eine Linseneinheit 13, deren Objektivachse normal auf die Ebene des Lichtteppichs 8 ausgerichtet ist, ist außerhalb des Messkanals 1 so angeordnet, dass die Objektebene mit der Ebene des Lichtteppichs 8 übereinstimmt. In der Bildebene ist ein Lichtsensor 9' mit einer zweidimensionalen Anordnung von Sensorelementen 10' angeordnet, beispielsweise ein Bildsensor, der etwa als ein CCD- oder CMOS-Sensor ausgeführt sein kann, oder eine andere bekannte Bauart aufweisen kann.
Es wäre auch möglich die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform mit nur einer linearen Sensoranordnung auszuführen, indem anstatt der zwei dargestellten plan-konvex-Linsen zylindrische Linsen verwendet werden. Dies würde jedoch die erreichbare Zählgrenze verschlech- tern.
Die Anordnung der Fig. 6 führt zu einer scharfen Bildaufnahme jedes Kondensattröpfchens 6, das den Lichtteppich 8 durchquert, unabhängig von dessen Position in der Messfläche, da der gesamte Messbereich in der Objektebene der Linseneinheit 13 liegt. Durch das Vorsehen eines zweidimensionalen Lichtsensors 9' kann somit eine optimale Zählgrenze erreicht werden, ohne dass zusätzliche Linsensysteme oder Sensoren erforderlich sind.
Fig. 6a zeigt die von fünf Kondensattröpfchen 6a-6e bewirkte Signalverteilung auf einem zweidimensionalen Sensorfeld, wobei fünf ausgeprägte Wertspitzen erkennbar sind, die jeweils ein Kondensattröpfchen 6a-6e repräsentieren. Das in Fig. 6a dargestellte Messdiagramm wurde durch eine Simulation einer Versuchsanordnung gemäß Fig. 6 mit dem Simu- lationsprogramm Zemax der Firma Radiant Zemax, Redmond, WA 98053, USA, gewonnen, wobei die folgenden Parameter verwendet wurden: Rechteckige Laserquelle, x-Breite: 20 mm, y-Breite: 5 μηη, Analysestrahlen: 4x109, Energie: P = 0,1 W, Wellenlänge λ = 632,8 nm; Durchmesser Kondensattröpfchen: DParticle = 5 μηη; Brechungsindex der Kondensattröpfchen: n = 1 ,41 1 ; Position der Kondensattröpfchen im Lichtteppich [x,y,z] in mm: P1 = [0, 0, 0], P2 = [5, 0, 0], P3 = [-5, 0, 0], P4 = [0.1 , 0, 5], P5 = [-0.1 , 0,-5], Rechteckiger Detektor, Größe des Sensorfeldes: x-Breite: 5mm, y-Breite: 5mm, Anzahl der Pixel: 1000 x 1000; Linsen von Edmund Optics: Sortimentsnummer: 48182.
Die Simulation wurde anhand von fünf Kondensattröpfchen 6a-6e durchgeführt, die in dem Lichtteppich angeordnet waren. Kondensattröpfchen, die entlang der Y-Achse angeordnet waren, wurden um 0,1 mm in X-Richtung verschoben um eine Überdeckung mehrerer hin- tereinanderliegender Kondensattröpfchen zu vermeiden. Fig. 6a zeigt die Intensitätsverteilung als eine Funktion der Pixelposition des zweidimensionalen Lichtsensors 9'. Wie dies aus Fig. 6a zu erkennen ist, werden alle Kondensattröpfchen 6a-6e deutlich vom Lichtsensor abgebildet, unabhängig von ihrer Position. Bei der Anordnung der Fig. 6, in der die Optische Achse unter einem rechten Winkel auf die Ebene des Lichtteppichs 8 ausgerichtet ist, wurde für die detektierte Streulichtenergie am Detektor ein Wert von 6,75 x 10"8 W ermittelt . Dies stellt hohe Anforderungen an die Qualität und Messgenauigkeit des Lichtsensors 9'.
Um die vom Lichtsensor messbare Lichtintensität zu erhöhen, wurde von den Erfindern eine Anordnung gesucht, bei der die optische Achse der Linsenanordnung einen geringeren Winkel zur Ebene des Lichtteppichs aufweist, sodass Streulicht mit einer höheren Intensität vom Lichtsensor empfangen werden kann. Gemäß der Darstellung von Fig. 15a ist die Streulichtintensität bei einem Polarwinkel zur Laserstrahlachse von 90 ° sehr gering, sie steigt jedoch bei einem kleineren Polarwinkel stark an. In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der die Objektivachse der Linseneinheit 13 unter einem Winkel von 45° auf die Ebene des Lichtteppichs 8 ausgerichtet ist, sodass die messbare Streulichtintensität unter diesem Winkel erhöht ist. Diese Anordnung entspricht der Scheimpflugbedingung: Dieses geometrische Prinzip beschreibt die Ausrichtung der Objektebene 19 eines optischen Systems, wenn die Bildebene 21 nicht parallel zur Linsenebene 20 ausgerichtet ist. Als Bedingung für eine maximale Schärfe gilt, dass sich die Objekt- 19, Bild- 21 und Linsenebene 20 in einer gemeinsamen Geraden schneiden.
Die Anordnung wurde unter den gleichen Bedingungen, wie sie obenstehend für Fig. 6 dargelegt sind, simuliert und es wurde für die Energie die von einem einzelnen Kondensattröpfchen vom Lichtsensor 9' empfangen wird, ein Wert von 1 ,59 x 10"6 W ermittelt. Dies ent- spricht einer Verbesserung der Lichtausbeute um einen Faktor von etwa 25, verglichen mit der Anordnung gemäß Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform für die Dunkelfeldmessung, bei der keine Linsenanordnung erforderlich ist. Dabei ist dem linearen Lichtsensor 9' eine Faserbündeleinheit 14 vorgelagert. Optische Faserbündel sind Felder einzelner Glasfaserkabel mit einer bestimm- ten numerischen Apertur. Indem Bündel mit geringer numerischer Apertur verwendet werden, dringt nur das Licht von bestimmten Bereichen durch die Faserbündel. Dadurch kann Streulicht gezielt zu den Sensorelementen 10' des Lichtsensors 9' geleitet werden, um Kondensattröpfchen 6 in einem bestimmten Bereich der Messfläche zu detektieren. Jedem der Sensorelemente 10' kann dadurch ein bestimmter Bereich der Messfläche zugeordnet wer- den. Fig. 9 zeigt eine weitere Anordnung, bei der ein Hellfeld-Lichtsensor 9 verwendet wird, der in der Ebene des Lichtteppichs 8 angeordnet ist. Zwischen dem Lichtsensor 9 und dem Messbereich (d.h. der Bereich des Lichtteppichs 8, der innerhalb des Querschnitts des Messkanals 1 liegt) ist eine Linsenanordnung 13 mit einer Blende 18 vorgesehen. (Anstatt der Lin- seneinheit 13 könnte auch alternativ auch eine Faserbündeleinheit verwendet werden).
Versuche, die anhand einer Anordnung gemäß Fig. 9 durchgeführt wurden, ergaben unabhängig von der Lage der Kondensattröpfchen 6 deutliche Signalmuster, wobei Überlegungen angestellt wurden, wie die Koinzidenzwahrscheinlichkeit verringert werden kann, um die Zuverlässigkeit und die Zählgrenze zu erhöhen. In Fig. 10 bis 14 sind einige Ansätze darge- stellt, die bei der Minimierung der Koinzidenzwahrscheinlichkeit zu beachten sind.
Fig. 10 zeigt ein Signal eines einzelnen Sensorelements mit zwei knapp hintereinander folgenden zählbaren Impulsen \ i und l2. Die Impulszählung wird auf Basis eines Schwellenwerts S durchgeführt. Dadurch ergibt sich eine minimale Zeitspanne Tm, bei der die zwei aufeinanderfolgenden Impulse li,l2 als zwei getrennte Signale detektiert werden. Die Zeit- spanne Tdj entspricht der Impulslänge eines Impulses \^\ bei einem vorgegebenen Schwellenwert S. Bei Impulsen mit geringerem zeitlichen Abstand sinkt das Signal zwischen den Impulsen nicht unter den Schwellenwert S, sodass anstatt zweier Impulse einer gezählt wird und somit ein Koinzidenzfall vorliegt.
Eine weitere mögliche Ursache von Konizidenzfällen ist in Fig. 1 1 a und 1 1 b erläutert, wobei zwei Sensoranordnungen gegenübergestellt sind. In beiden Darstellungen passieren im Messkanal 1 zeitgleich drei Kondensattröpfchen 6a, 6b, 6c den Lichtteppich, wobei auf der linken Seite ein Lichtsensor 9 mit mehreren linear angeordneten Sensorelementen 10 vorgesehen ist, wie er beispielsweise bei der Ausführungsform der Fig. 9 für die Hellfelddetektion verwendet wird. Aus der Sicht des Lichtsensors 9 wird dabei ein Kondensattröpfchen 6a vom davorliegenden Kondensattröpfchen 6b abgedeckt, sodass der Sensor die beiden Kondensattröpfchen 6a, 6b als ein einzelnes Kondensattröpfchen detektiert.
Um die Koinzidenzwahrscheinlichkeit erheblich zu verringern, können, wie dies in Fig. 1 1 b dargestellt ist, erfindungsgemäß zwei Lichtsensoren 9a, 9b mit jeweils einer Vielzahl an linear angeordneten Sensorelementen 10a, 10b unter einem Winkel zueinander angeordnet sein, wobei jedem Lichtsensor 9a, 9b eine eigene Beleuchtungsvorrichtung und gegebenenfalls eine eigene Linseneinheit zugeordnet sein können (Linseneinheiten und Beleuchtungsvorrichtungen sind in der schematisierten Darstellung der Fig. 1 1 a und 1 1 b aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt). Bei der Auswertung von Konizidenzfällen ist weiters der für eine korrekte Zählung erforderliche seitliche Minimalabstand xmin (bezogen auf die Längsachse des Lichtsensors 9) zwischen zwei Kondensattröpfchen 6a, 6b zu berücksichtigen, wie dies in Fig. 12 dargestellt ist. Kondensattröpfchen, die diesen seitlichen Abstand unterschreiten, werden vom Lichtsensor 9 als ein Kondensattröpfchen detektiert.
Die oben dargelegten Einflussfaktoren auf die Zählgenauigkeit können anhand der jeweiligen konkreten Bedingungen experimentell, rechnerisch oder durch Simulation ermittelt und ausgewertet werden, um durch eine entsprechende Parametrisierung, insbesondere durch eine geeignete Abstimmung der Dicke d und der Intensität des Lichtteppichs, der Größe der Messfläche, der Geschwindigkeit des Fluidstroms, der Partikeldichte und Partikelverteilung im Fluidstrom, der Größe der Kondensattröpfchen, der Zeitauflösung und der Empfindlichkeit der Sensoreinheit und der Auswahl und Anordnung der Messeinrichtung, eine optimale Zählgenauigkeit zu erreichen. Dazu können insbesondere auch mehrere hierin dargelegte Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. Solche Modifikationen, sowie die Ermitt- lung einer geeigneten Parametrisierung liegen im Können eines Durchschnittsfachmanns.
Zur Erkennung der Signale von überlappenden Kondensattröpfchen können weiters unterschiedliche Fehlerkennungsalgorithmen angewendet werden. Als Basis für solche Algorithmen kann beispielsweise der zeitliche Verlauf des Messsignals eines oder mehrerer Sensorelemente herangezogen werden, wie er etwa in Fig. 13 und 14 schematisch dargestellt ist. Die rechte Seite der Fig. 13 zeigt ein Diagramm mit dem Spannungsverlauf einer von einem Sensorelement gemessenen Detektion zweier knapp hintereinanderfolgender Kondensattröpfchen. Diese Kondensattröpfchen 6a und 6b sind auf der linken Seite der Fig. 13 vor dem Lichtteppich 8 mit der Dicke d schematisch dargestellt. Der Spannungsverlauf steigt von einem Basisniveau V0 zuerst auf einen ersten Wert V-ι an, der anzeigt, dass das erste Kon- densattröpfchen 6a sich vollständig im Bereich des Lichtteppichs befindet. Wenn das zweite Kondensattröpfchen 6b in den Bereich des Lichtteppichs 8 eindringt, steigt der Spannungsverlauf auf einen zweiten Wert V2 an, der der geänderten Lichtintensität entspricht, wenn sich beide Teile gleichzeitig im Bereich des Lichtteppichs 8 befinden. Danach fällt die Spannung, wenn das erste Kondensattröpfchen 6a den Lichtteppich 8 verlässt, wieder auf den Wert V-i und wenn das zweite Kondensattröpfchen 6b den Lichtteppich verlässt, auf den Basiswert V0 ab. Dieser charakteristische Verlauf würde bei einer Zählung, die lediglich auf einem Schwellenwert S beruht, zu einer hohen Koinzidenzwahrscheinlichkeit beitragen. Durch eine Auswertung, die nicht nur den Schwellenwert S, sondern auch den Spannungsverlauf berücksichtigt, kann das Zähllimit über weite Bereiche mit Hilfe statistischer Methoden wie bei- spielsweise die Auswertung durch Anwendung der Lambert-W Funktion unter Annahme einer Poisson-Verteilung nach oben korrigiert werden. Fehlerkorrekturen können nicht nur auf die Signalwerte einzelner Sensorelemente angewendet werden, sondern es können auch die Messwerte mehrerer Sensorelemente für die Fehlerkorrektur herangezogen werden, wie dies in Fig. 14 veranschaulicht ist. Dabei ist eine zeitliche Abfolge an Messschritten von acht linear nebeneinander angeordneten Sensorelemen- ten 10a-10h gezeigt, die sich beispielhaft ergeben könnte, wenn zwei Kondensattröpfchen 6a, 6b den von diesen Sensorelementen 10a-10h abgetasteten Bereich des Lichtteppich durchqueren, wobei die Kondensattröpfchen sich aus der Sicht des Lichtsensors teilweise überdecken. Dies führt zu dem dargestellten zeitlichen Verlauf der Messungen, wobei die Kondensattröpfchen 6a und 6b durch zwei räumlich und zeitlich überlappende Bereiche re- präsentiert sind. Im Überlappungsbereich A wird ein besonders intensives Sensorsignal gemessen, was darauf hindeutet, dass die Messung der Sensorelemente 10d und 10e im Überlappungsbereich A während dieser Messschritten von beiden Kondensattröpfchen 6a, 6b beeinflusst war. Mit Hilfe statistischer Methoden, wie beispielsweise die Auswertung durch Anwendung der Lambert-W Funktion unter Annahme einer Poisson-Verteilung, können die Signale ausgewertet und die Partikeldichte korrekt ermittelt werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Ermittlung der Anzahl an Feststoffpartikeln in einem Fluidstrom, insbesondere in Abgasen von Verbrennungskraftmotoren, wobei die Vorrichtung einen Messkanal (1 ) für den zu messenden Fluidstrom, eine Sättigungseinheit (2) zur Sättigung des Fluids mit Dämpfen eines Betriebsmittels (3), eine Kondensationseinheit (4) zum Abkühlen des Flu- idstroms und eine Zähleinheit (5) zum Zählen der beim Abkühlen an den Partikeln gebildeten Kondensattröpfchen (6) aufweist, wobei die Zähleinheit (5) eine Beleuchtungsvorrichtung (7), zumindest einen Lichtsensor (9) und eine mit dem Lichtsensor (9) verbundene Rechenein- heit (1 1 ) zur Ermittlung der Anzahl an Feststoffpartikeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Beleuchtungsvorrichtung (7) ein an einer Schnittebene durch den Messkanal (1 ) angeordneter Lichtteppich (8) erzeugbar ist, der eine Messfläche definiert, die sich im Wesentlichen über den gesamten Querschnittsbereich des Messkanals (1 ) erstreckt, und dass der Lichtsensor (9) zur Abtastung der gesamten Erstreckung der Messfläche eine Viel- zahl an Sensorelementen (10) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (7) zumindest eine Laserlichtquelle aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor (9) zumindest eine lineare Anordnung einer Vielzahl an Sensorelementen (10) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei lineare Anordnungen einer Vielzahl an Sensorelementen (10) in einem Winkel, vorzugsweise einem im Wesentlichen rechten Winkel, zueinander angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lichtsensor (9) zur Fokussierung von Streulicht zumindest eine optische Faserbündeleinheit (14) vorgelagert ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor (9) in der Schnittebene angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor (9) zur direkten Messung des Lichts des Lichtteppichs (8) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lichtsensor (9) und dem Messkanal (1 ) eine Linseneinheit (13), gegebenenfalls mit einer Blende (18), angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor (9) durch eine Abschirmung (12) vom Strahlengang des Lichtteppichs (8) abgeschirmt ist, wobei vorzugsweise zwischen der Abschirmung (12) und dem Lichtsensor (9) zumindest eine Linseneinheit (13) zur Fokussierung von Streulicht angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Linseneinheit (13) eine Blendenanordnung aufweist.
1 1 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Normale auf die Schnittebene mit der Achse des Messkanals einen Scheitelwinkel α zwischen 30° und 60°, vorzugsweise 45°, einschließt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor (9) ein zweidimensionales Feld an Sensorelementen (10) und eine Linseneinheit (13) aufweist, wobei vorzugsweise die optische Achse der Einheit aus Lichtsensor (9) und Linseneinheit (13) im Wesentlichen normal auf die Messfläche ausgerichtet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor (9) ein zweidimensionales Feld an Sensorelementen (10) und eine Linseneinheit (13) aufweist, wobei vorzugsweise die Ausrichtung einer Objektivhauptebene der Linsenein- heit (13), der Bildebene des Lichtsensors (9) und der Ebene der Messfläche der Schei- mpflugbedingung entspricht.
14. Verfahren zur Ermittlung der Anzahl an Feststoffpartikeln in einem Fluidstrom, insbesondere in Abgasen von Verbrennungskraftmotoren, wobei der zu messende Fluidstrom einen Messkanal durchläuft, der eine Sättigungseinheit, in der das Fluid mit Dämpfen eines Betriebsmittels gesättigt wird, eine Kondensationseinheit, in der der Fluidstrom abgekühlt wird, und eine Zähleinheit, in der die beim Abkühlen an den Partikeln gebildeten Kondensattröpfchen gezählt werden, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Zähleinheit eine Schnittebene durch den Messkanal eine Messfläche definiert, an welcher zur Beleuchtung der durch die Messfläche hindurchtretenden Kondensattröpfchen ein Lichttep- pich erzeugt wird, wobei die von den Kondensattröpfchen beim Durchqueren des Lichtteppichs bewirkten Lichtablenkungen in Abhängigkeit vom Durchtrittsort durch den Lichtteppich von zumindest einem Sensorelement eines eine Vielzahl an Sensorelementen umfassenden Lichtsensors gemessen werden und wobei die Messungen von einer Recheneinheit zur Ermittlung der Anzahl an Feststoffpartikeln ausgewertet werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtteppich mit vorzugsweise hoch-kollimiertem Laserlicht gebildet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass Licht des Lichtteppichs und/oder Streulicht mittels Blenden- und/oder Abschirmsystemen selektiv abge- schirmt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Messfläche über den gesamten vom Partikelstrom durchquerten Teil der Querschnittsfläche, vorzugsweise im Wesentlichen über die gesamte Querschnittsfläche des Messkanals, erstreckt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Breite der Messfläche zum mittleren Durchmesser der Kondensattröpfchen größer als 100, vorzugsweise größer als 500 und besonders bevorzugt größer als 1000 ist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei oder mehrere der folgenden Parameter zur Optimierung der Zählgenauigkeit auf- einander abgestimmt werden: Die Dicke (d) des Lichtteppichs, die Größe der Messfläche, die Geschwindigkeit des Fluidstroms, die Partikeldichte im Fluidstrom, die Partikelverteilung im Fluidstrom, die Größe der Kondensattröpfchen, die Zeitauflösung der Sensoreinheit.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtablenkung von Lichtsensoren gemessen werden, die zumindest eine lineare Anordnung einer Vielzahl an Sensorelementen oder zwei in einem Winkel zueinander angeordnete lineare Anordnungen einer Vielzahl an Sensorelementen oder ein zweidimensionales Feld an Sensorelementen aufweisen.
21 . Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit überlappende Messungen mehrerer Kondensattröpfchen mittels Fehlererken- nungsalgorithmen erkennt.
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