WO2021244839A1 - Partikelzahlsensor - Google Patents

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WO2021244839A1
WO2021244839A1 PCT/EP2021/062965 EP2021062965W WO2021244839A1 WO 2021244839 A1 WO2021244839 A1 WO 2021244839A1 EP 2021062965 W EP2021062965 W EP 2021062965W WO 2021244839 A1 WO2021244839 A1 WO 2021244839A1
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laser
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number sensor
sensitive
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PCT/EP2021/062965
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Fabian Purkl
Christopher Rawe
Arne Huber
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a particle number sensor according to the preamble of claim 1.
  • a particle number sensor has a laser with which laser radiation can be emitted.
  • the particle number sensor also has a first optical element, a second optical element and a detection device.
  • the first optical element is arranged in a beam path of the laser radiation in such a way that it focuses laser radiation incident from the laser into a laser spot.
  • the second optical element is arranged in such a way that it focuses temperature radiation emanating from the laser spot into a temperature radiation spot.
  • the detection device has a first surface which is sensitive to temperature radiation and which is arranged in the beam path of the focused temperature radiation in such a way that it is illuminated with the focused temperature radiation.
  • Soot particle sensors for motor vehicles currently available on the market work on the principle of resistive measurement of a soot mass accumulated on a sensor element over a longer measuring period and are used for diagnosing soot particle filters installed in diesel vehicles.
  • soot mass sensors are not suitable for counting soot particles, there is a need for a sensor that can perform this task.
  • the particle number sensor mentioned at the beginning is suitable for this task and works on the principle of laser-induced incandescence (LII).
  • LII laser-induced incandescence
  • Such a particle number sensor is known, for example, from DE 102018203301 A1.
  • soot particles produced during combustion are heated very strongly with a laser, and the thermal radiation emission of the particle is measured with a detection device.
  • the method allows the detection of very small particles with a diameter of a few 10 nm.
  • the known particle number sensor has a resolution limit with regard to the smallest detectable particle size, since the Lll signal decreases with the particle size.
  • Background radiation signals e.g. temperature radiation from an exhaust pipe with exhaust gas as the measurement gas or a protective pipe of the particle number sensor
  • the particle number sensor according to the invention differs from the known particle number sensor in that the detection device has a second surface which is sensitive to temperature radiation and which is arranged in such a way that it is not illuminated with the temperature radiation emanating from the laser spot.
  • the second surface is arranged in such a way that it is not illuminated with the thermal radiation emanating from the laser spot, it is not influenced by the Lll signal. It therefore only records the background radiation.
  • the radiation-sensitive second surface should be affected by background radiation in the same way as possible as the radiation-sensitive first surface of the detection device.
  • the first radiation area covers a sum of Lll radiation and background radiation. A separation of the background radiation from the actual measurement signal can thus be achieved.
  • the separation can take place in a simple manner in that the background radiation is determined separately using the second surface of the detection device that is sensitive to temperature radiation and is subtracted from the III signal of the first surface of the detection device that is sensitive to temperature radiation.
  • the signal-to-noise ratio can be significantly improved and, as an advantageous consequence, significantly smaller particles than in the prior art can be detected.
  • a more precise determination of the particle size is also possible. Fluctuations in the background signal, which are caused, for example, by changing temperatures of the exhaust pipe, by contamination of a measuring window and thus higher scattered radiation intensity and the like, can be compensated more precisely than would be possible without the second radiation-sensitive surface.
  • the radiation-sensitive second area corresponds to its function according to a second detector which only measures the background radiation, while the radiation-sensitive first area corresponds to a first detector which measures the sum of background radiation and useful LII signal.
  • a preferred embodiment is characterized in that the first surface has a center and is arranged such that an optical axis of the first optical element and of the second optical element passes through the center.
  • first surface and the second surface are arranged in one plane. This arrangement favors that the radiation-sensitive second surface picks up a background radiation intensity that is as similar as possible to the radiation-sensitive first surface. The more equal these two intensities are, the better the background radiation can be separated from the useful LII signal.
  • first surface and the second surface directly adjoin one another.
  • Another preferred embodiment is characterized in that the second surface is arranged next to the first surface.
  • the second surface runs in a closed loop around the first surface.
  • the polar angle is an angle whose legs both lie in the radiation-sensitive surfaces and whose vertex lies on the main direction of incidence of the radiation incident on the detector device.
  • the second area is so large in relation to the size of the first area that a sum of background radiation incident on the second area is as large as a sum of background radiation incident on the first area.
  • This configuration also favors a similarity of the background radiation intensities that are recorded with the two radiation-sensitive surfaces. It is also true here that the background radiation can be separated better from the useful LII signal, the more the same these background radiation intensities are.
  • Another preferred embodiment is characterized in that the radiation-sensitive first surface is a first partial surface of a silicone photomultiplier and that the radiation-sensitive second surface is a second partial surface of a silicone photomultiplier.
  • SiPM silicon photomultipliers
  • the first partial area has a first field of avalanche photodiodes and that the second partial area has a second field of avalanche photodiodes. It is further preferred that the avalanche photodiodes of the first partial area are connected to a first photocurrent summing node and that the avalanche photodiodes of the second partial area are connected to a second photocurrent summing node.
  • the electrical currents flowing through the avalanche diodes of the first partial area as a result of the incident radiation are summed at the first photocurrent summing node.
  • the sum is a quantitative measure of the sum of Lll radiation and background radiation incident on the first partial area.
  • Another advantage of the silicon photomultiplier is that the two partial areas, each of which forms one of two detectors, can be produced very inexpensively and spatially very close to one another.
  • external influences such as temperature in particular (on which the noise of the detectors largely depends) have the same effect on both detectors if they are located in the same substrate. This improves the possibility of compensating for temperature influences.
  • FIG. 1 shows a measuring principle based on laser-induced incandescence, which is used in the invention
  • FIG. 2 shows a basic structure of a particle number sensor operating with laser-induced incandescence
  • FIG. 3 shows a first exemplary embodiment of a particle number sensor according to the invention
  • FIG. 4 beam paths of desired temperature radiation and undesired background radiation in the particle number sensor
  • FIG. 5 shows a plan view of radiation-sensitive surfaces of the detector
  • FIG. 6 shows a profile of background radiation which is incident on the detector, in a time interval
  • FIG. 7 shows a profile of the signal from the central detector in the same time interval.
  • FIG. 1 illustrates the measuring principle based on laser-induced incandescence (LII).
  • High intensity laser radiation 10 strikes a particle 12.
  • the particle 12 is in particular a soot particle.
  • the intensity of the laser radiation 10 is so high that the energy of the laser radiation 10 absorbed by the particle 12 heats the particle 12 to several thousand degrees Celsius.
  • the particle 12 spontaneously and essentially without a preferred direction emits significant radiation 14 in the form of temperature radiation, also referred to below as III radiation 14.
  • III radiation 14 Part of the III radiation 14 emitted in the form of thermal radiation is therefore also emitted in the opposite direction to the direction of the incident laser radiation 10.
  • FIG. 2 schematically shows a basic structure of a particle number sensor 16.
  • the particle number sensor 16 here has a laser 18, the preferably parallel laser radiation 10 of which is focused on a very small laser spot 22 with at least one first optical element 20 arranged in the beam path of the laser 18.
  • the first optical element 20 is preferably a first lens 24, but can also be implemented as a reflector.
  • the intensity of the laser radiation 10 reaches the high values necessary for LII only in the volume of the laser spot 22.
  • the laser 18 can be a laser diode which can be operated as a continuous wave laser or also in a pulsed manner.
  • the dimensions of the laser spot 22 are in the range of a few pm, in particular in the range of at most 200 pm, so that particles 12 crossing the laser spot 22 are excited to emit evaluable radiation powers, be it by laser-induced incandescence or by chemical reactions (especially oxidation).
  • the measurement signal is generated by a detection device 26 which is arranged in the particle number sensor 16 in such a way that it detects radiation 14, in particular temperature radiation, which emanates from a particle 12 which flies through the first spot 22.
  • the detection device 26 preferably has at least one first surface 26.1 sensitive to the radiation 14
  • the laser 18 is modulated or switched on and off (duty cycle ⁇ 100%).
  • the laser 18 is a CW laser. This enables the use of inexpensive semiconductor laser elements (laser diodes), which makes the entire particle number sensor 16 cheaper and greatly simplifies the control of the laser 18 and the evaluation of the measurement signal. The use of pulsed lasers is not excluded.
  • FIG. 3 shows an advantageous exemplary embodiment of a particle number sensor 16 according to the invention, which is suitable for use as a soot particle number sensor in the exhaust gas 32 of a combustion process.
  • the particle number sensor 16 has a first part 16.1 which is set up to be exposed to a measurement gas (here: the exhaust gas 32), and it has a second part 16.2 which is not to be exposed to the measurement gas and which contains the optical components of the particle number sensor 16. Both parts are separated by a partition 16.3 which is impermeable to the measurement gas.
  • the partition 16.3 is, for example, part of an exhaust pipe of an internal combustion engine.
  • a window 34 is provided in the beam path of the laser radiation 10, which window is transparent both to the laser radiation 10 and to the radiation 14 emanating from the laser spot 22.
  • the first part 16.1 of the particle number sensor 16 has an arrangement of an outer protective tube 28 and an inner protective tube 30.
  • the two protective tubes 28, 30 preferably have a general cylindrical shape or prism shape.
  • the base areas of the cylinder shapes are preferably circular, elliptical or polygonal.
  • the cylinders are preferably arranged coaxially, with the axes of the cylinders are oriented transverse to the flow of exhaust gas 32.
  • the inner protective tube 30 protrudes in the direction of the axes of the cylinders beyond the outer protective tube 28 into the flowing exhaust gas 32.
  • the outer protective tube 28 protrudes beyond the inner protective tube 30.
  • the clear width of the outer protective tube 28 is preferably so much larger than the outer diameter of the inner protective tube 30 that a first flow cross section results between the two protective tubes 28, 30.
  • the clear width of the inner protective tube 30 forms a second flow cross section.
  • Such a first part 16.1 of a particle number sensor is part of a preferred exemplary embodiment. However, its features are not essential to the invention. The features essential to the invention are part of the second part 16.2 of the particle number sensor 16.
  • the second part 16.2 has a laser 18 with a collecting lens 19, a first optical element 20, a second optical element 23, a beam splitter 25, a filter 27 and the detection device 26.
  • the second optical element 23 can be a lens or a reflector.
  • the first optical element 20 is arranged in a beam path of the laser radiation 10 in such a way that it focuses laser radiation 10 incident from the laser 18 into the laser spot 22, and the second optical element 23 is arranged in such a way that it merges radiation 14 emanating from the laser spot 22 Focused temperature radiation spot 29.
  • the beam splitter 25 reflects incident laser radiation in the direction of the first optical element 20 and is transparent to thermal radiation 14.
  • the detection device 26 has a first surface that is sensitive to radiation 14 26.1, which is arranged in the beam path of the focused temperature radiation 14 that it is illuminated with the focused temperature radiation 14.
  • the detection device 26 has a second surface 16. 2 which is sensitive to temperature radiation 14 and which is arranged in such a way that it is not illuminated by the temperature radiation 14 emanating from the laser spot 22.
  • the filter 27 is less transparent in the spectral range of the laser radiation 10 than in the rest of the spectral range and thus helps ensure that the signal from the detection device is not falsified by the influences of scattered laser radiation 10.
  • FIG. 4 shows beam paths of desired temperature radiation 14 and undesired background radiation 17 in particle number sensor 16.
  • the particle 12 heated by laser radiation 10 and emitting Lll radiation (Lll radiation 14 is also temperature radiation) is located at the focal point of the imaging optical elements 20, 23 and the Lll radiation 14 of the Particle is imaged on the first radiation-sensitive surface 26.1 of the detection device 26.
  • the first radiation-sensitive surface 26.1 of the detection device 26 forms a central area of the detection device 16 through which the optical axis of the structure runs.
  • a confocal structure is understood here to mean that both a focal point of the laser radiation 10 emanating from the laser 18, the beam path of which forms the excitation path, and a focal point of the Lll radiation 14 incident on the detector device 26 lie in the laser spot 22.
  • the second radiation-sensitive surface 26.2 of the detection device 26, which is used to detect the background signal, is advantageously arranged in such a way that, on the one hand, it lies outside the area on which the Lll radiation is imaged, but on the other hand, it is affected by the background signal as similarly as possible to the first radiation-sensitive Area 26.1. In the example shown here, this is due to a parallel arrangement of the radiation-sensitive surfaces 26.1, 26.2 given, in which these surfaces are arranged directly next to one another in the same plane.
  • FIG. 5 shows a plan view of a radiation-sensitive total surface of a detection device 26.
  • So-called silicon photomultipliers (SiPM) are particularly suitable as detection device 26, since they have high detection efficiency and intrinsic amplification.
  • a silicon photomultiplier (SiPM) consists of an array of individual avalanche photodiodes (APD), the outputs of which are combined to form a sum signal.
  • the radiation-sensitive total area is composed of a first partial area 26.1 and a second partial area 26.2.
  • a center of the total area lies in the first partial area 26.1.
  • the second partial surface 26.2 extends in a closed loop around the first partial surface 26.1.
  • Each of the two partial areas 26.1, 26.2 is completely filled by avalanche photodiodes.
  • the first partial area forms the radiation-sensitive first area 26.1 and is filled by first avalanche photodiodes 31.
  • the second partial area forms the radiation-sensitive second area 26.2 of the detection device 26 and is filled by second avalanche photodiodes 33.
  • the outputs of the first avalanche photodiodes 31 of the first partial area are connected to one another at a first photocurrent summing node 35.
  • the outputs of the second avalanche photodiodes 33 of the second partial area are connected to one another at a second photocurrent summing node 37.
  • FIG. 6 shows a course of background radiation 17 which is incident on the second radiation-sensitive surface 26.2 of the detection device 26 in a time interval.
  • This course l (t), or the photocurrent generated by this course, can be taken off at the second photocurrent summing node 37.
  • FIG. 7 shows a curve l (t) of the sum of background radiation 17 and LI I radiation which is incident on the second radiation-sensitive surface of the detection device in the same time interval.
  • the background radiation 17 is temperature radiation. This course, or the one through this course The photocurrent generated can be removed at the first photocurrent summing node 35.
  • the first tip 39 differs only slightly from the background radiation 17.
  • Particle number sensor 16 is connected in its operation, can thereby determine the number and size of the particles 12 that fly through the laser spot 22. With knowledge of the measuring gas flow and the size of the laser spot and the measuring gas volume, the number of particles in the measuring gas volume can be determined.

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Abstract

Vorgestellt wird ein Partikelzahlsensor (16) mit einem Laser (18), einem ersten optischen Element (20) und einem zweiten optischen Element (23), wobei das erste optische Element (20) vom Laser (18) her einfallende Laserstrahlung (10) in einen Laserspot (22) fokussiert und wobei das zweite optische Element (23) vom Laserspot (22) ausgehende Temperaturstrahlung (14) in einen Temperaturstrahlungsspot (29) fokussiert, und mit einer Detektionsvorrichung (26), die mit der fokussierten Temperaturstrahlung (14) beleuchtet wird. Der Partikelzahlsensor zeichnet sich dadurch aus, dass die Detektionsvorrichtung (26) eine für Temperaturstrahlung (14) empfindliche zweite Fläche (26.2) aufweist, die nicht mit der vom Laserspot (22) ausgehenden Temperaturstrahlung (14) beleuchtet wird.

Description

Beschreibung
Titel
Partikelzahlsensor
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelzahlsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Partikelzahlsensor weist einen Laser auf, mit dem Laserstrahlung emittierbar ist. Weiter weist der Partikelzahlsensor ein erstes optisches Element, ein zweites optisches Element und eine Detektionsvorrichtung auf. Das erste optische Element ist in einem Strahlengang der Laserstrahlung so angeordnet, dass es vom Laser her einfallende Laserstrahlung in einen Laserspot fokussiert. Das zweite optische Element ist so angeordnet, dass es vom Laserspot ausgehende Temperaturstrahlung in einen Temperaturstrahlungsspot fokussiert. Die Detektionsvorrichung weist eine für Temperaturstrahlung empfindliche erste Fläche auf, die so im Strahlengang der fokussierten Temperaturstrahlung angeordnet ist, dass sie mit der fokussierten Temperaturstrahlung beleuchtet wird.
Derzeit auf dem Markt erhältliche Rußpartikelsensoren (Bosch EGS-PM) für Kraftfahrzeuge arbeiten nach dem Prinzip einer resistiven Messung einer über einen längeren Messzeitraum auf einem Sensorelement angereicherten Rußmasse und werden für eine Diagnose von in Dieselfahrzeugen eingebauten Rußpartikelfilter verwendet.
Eine strenger werdende Abgasgesetzgebung erfordert zunehmend auch die Verwendung von Partikelfiltern für Benzinmotoren. Im Gegensatz zum Dieselmotor ist hier nicht die Rußmasse relevant sondern die Partikelanzahl, da Benzinmotoren zwar eine geringere Rußmasse, dafür aber eine deutlich höhere Anzahl kleiner Rußpartikel ausstoßen, die tiefer in die Lunge eindringen können als größere Rußpartikel. Da sich Rußmassensensoren nicht zum Zählen der Rußpartikel eignen, besteht ein Bedürfnis für einen Sensor, der diese Aufgabe erfüllen kann.
Der eingangs genannte Partikelzahlsensor eignet sich für diese Aufgabe und arbeitet nach dem Prinzip der Laser-Induzierten Inkandeszenz (LII). Ein solcher Partikelzahlsensor ist zum Beispiel aus der DE 102018203301 A1 bekannt. Bei dem LI I-Messprinzip werden bei der Verbrennung entstehende Rußpartikel mit einem Laser sehr stark erhitzt, und es wird die thermische Strahlungsemission des Partikels mit einer Detektionsvorrichtung gemessen. Die Methode erlaubt die Detektion von sehr kleinen Partikeln mit einem Durchmesser von wenigen 10 nm.
Mit dem LI I-Messprinzip ist es möglich, einzelne Partikel im Abgas nachzuweisen und zu zählen. Der bekannte Partikelzahlsensor hat jedoch eine Auflösungsgrenze in Bezug auf die kleinste nachweisbare Partikelgröße, da das Lll-Signal mit der Partikelgröße abnimmt. Problematisch ist darüber hinaus, dass Hintergrundstrahlungssignale (z.B. Temperaturstrahlung eines Abgasrohres bei Abgas als Messgas bzw. eines Schutzrohres des Partikelzahlsensors sich dem eigentlichen Lll-Signal überlagern und somit eine Identifikation eines Partikels sowie die Auswertung seiner Größe verhindern oder zumindest erschweren.
Offenbarung der Erfindung
Von dem bekannten Partikelzahlsensor unterscheidet sich der erfindungsgemäße Partikelzahlsensor dadurch, dass die Detektionsvorrichtung eine für Temperaturstrahlung empfindliche zweite Fläche aufweist, die so angeordnet ist, dass sie nicht mit der vom Laserspot ausgehenden Temperaturstrahlung beleuchtet wird.
Dadurch, dass die zweite Fläche so angeordnet ist, dass sie nicht mit der vom Laserspot ausgehenden Temperaturstrahlung beleuchtet wird, ist sie nicht vom Lll-Signal beeinflusst. Sie erfasst daher nur die Hintergrundstrahlung. Zugleich sollte die strahlungsempfindliche zweite Fläche in möglichst gleicher Weise von Hintergrundstrahlung betroffen sein wie die strahlungsempfindliche erste Fläche der Detektionsvorrichtung. Die erste Strahlungsfläche erfasst eine Summe aus Lll-Strahlung und Hintergrundstrahlung. Somit kann eine Separierung der Hintergrundstrahlung vom eigentlichen Messsignal erzielt werden.
Die Separierung kann auf einfache Weise dadurch erfolgen, dass die Hintergrundstrahlung unter Verwendung der für Temperaturstrahlung empfindlichen zweiten Fläche der Detektionsvorrichtung separat bestimmt wird und von dem Lll-Signal der für Temperaturstrahlung empfindlichen ersten Fläche der Detektionsvorrichtung subtrahiert wird. Auf diese Weise kann das Signal- Rauschverhältnis wesentlich verbessert werden, und als vorteilhafte Konsequenz können wesentlich kleinere Partikel als beim Stand der Technik nachgewiesen werden. Als Folge des verbesserten Signal-Rauschverhältnisses ist darüber hinaus eine genauere Bestimmung der Partikelgröße möglich. Schwankungen des Hintergrundsignals, die zum Beispiel durch wechselnde Temperaturen des Abgasrohrs, durch eine Verschmutzung eines Messfensters und dadurch höhere Streustrahlungsintensität und Ähnliches hervorgerufen werden, können genauer kompensiert werden als es ohne die zweite strahlungsempfindliche Fläche möglich wäre. Die strahlungsempfindliche zweite Fläche entspricht ihrer Funktion nach einem zweiten Detektor, der nur die Hintergundstrahlung misst, während die strahlungsempfindliche erste Fläche einem ersten Detektor entspricht, der die Summe aus Hintergrundstrahlung und LII-Nutzsignal misst.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Fläche ein Zentrum aufweist und so angeordnet ist, dass eine optische Achse des ersten optischen Elements und des zweiten opischen Elements durch das Zentrum hindurchgeht.
Bevorzugt ist auch, dass die erste Fläche und die zweite Fläche in einer Ebene angeordnet sind. Diese Anordnung begünstigt, dass die strahlungsempfindliche zweite Fläche eine möglichst gleiche Hintergrundstrahlungsintensität aufnimmt wie die strahlungsempfindliche erste Fläche. Je gleicher diese beiden Intensitäten sind, desto besser kann die Hintergrundstrahlung vom LII-Nutzsignal separiert werden.
Weiter ist bevorzugt, dass die erste Fläche und die zweite Fläche unmittelbar aneinander angrenzen. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass dass die zweite Fläche neben der ersten Fläche angeordnet ist. Auch diese beiden Ausgestaltungen begünstigen eine Ähnlichkeit der Hintergrundstrahlungsintensitäten, die mit den beiden strahlungsempfindlichen Flächen erfasst werden. Auch hier gilt, dass die Hintergrundstrahlung umso besser vom LII-Nutzsignal separiert werden kann, je gleicher diese Hintergrundstrahlungsintensitäten sind.
Bevorzugt ist auch, dass die zweite Fläche in einer geschlossenen Schleife um die erste Fläche herum verläuft. Diese Ausgestaltung erlaubt eine genaue Separierung der Hintergrundstrahlung auch dann, wenn die Hintergrundstrahlung auf der Detektorfläche vom Polarwinkel abhängig ist. Der Polarwinkel ist ein Winkel, dessen Schenkel beide in den strahungsempfindlichen Flächen liegen und dessen Scheitelpunkt auf der Haupteinfallsrichtung der auf die Detektorvorrichtung einfallenden Strahlung liegt.
Weiter ist bevorzugt, dass die zweite Fläche in Bezug auf die Größe der ersten Fläche so groß ist, dass eine Summe einer auf die zweite Fläche einfallenden Hintergrundstrahlung so groß ist wie eine Summe einer auf die ersten Fläche einfallenden Hintergrundstrahlung. Auch diese Ausgestaltung begünstigt eine Ähnlichkeit der Hintergrundstrahlungsintensitäten, die mit den beiden strahlungsempfindlichen Flächen erfasst werden. Auch hier gilt, dass die Hintergrundstrahlung umso besser vom LII-Nutzsignal separiert werden kann, je gleicher diese Hintergrundstrahlungsintensitäten sind.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die strahlungsempfindliche erste Fläche eine erste Teilfläche eines Silicon Photomultipliers sind und dass die strahlungsempfindliche zweite Fläche eine zweite Teilfläche eines Silicon Photomultipliers ist.
Für die Detektion der Lll-Strahlung sind solche sogenannten Silicon photomultiplier (SiPM) besonders geeignet, da sie eine hohe Detektionseffizienz und eine intrinsische Verstärkung aufweisen.
Bevorzugt ist auch, dass die erste Teilfläche ein erstes Feld von Avalanche- Photodioden aufweist und dass die zweite Teilfläche ein zweites Feld von Avalanche-Photodioden aufweist. Weiter ist bevorzugt, dass die Avalanche-Photodioden der ersten Teilfläche an einen ersten Photostromsummierknoten angeschlossen sind und dass die Avalanche-Photodioden der zweiten Teilfläche an einen zweiten Photostromsummierknoten angeschlossen sind.
Auf diese Weise werden die durch die Avalanchedioden der ersten Teilfläche als Folge der einfallenden Strahlung fließenden elektrischen Ströme an dem ersten Photostromsummierknoten summiert. Die Summe ist ein quantitatives Maß für die auf die erste Teilfläche einfallende Summe aus Lll-Strahlung und Hintergrundstrahlung.
Ein weiterer Vorteil der Silicon-Photomultiplier liegt darin, dass die beiden Teilflächen, von denen jede einen von zwei Detektoren bildet, sehr kostengünstig und räumlich sehr nahe aneinander hergestellt werden können. Außerdem wirken sich äußere Einflüsse wie insbesondere die Temperatur (von der wiederum das Rauschen der Detektoren maßgeblich abhängt) auf beide Detektoren gleich aus, wenn sie sich im gleichen Substrat befinden. Dadurch wird die Möglichkeitkeit einer Kompensation von Temperatureinflüssen verbessert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
Figur 1 ein auf der Laser Induzierten Inkandeszenz basierendes Messprinzip, das bei der Erfindung verwendet wird;
Figur 2 einen prinzipiellen Aufbau eines mit Laser induzierter Inkandeszenz arbeitenden Partikelzahlsensors;
Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Partikelzahlsensors; Figur 4 Strahlengänge von erwünschter Temperaturstrahlung und unerwünschter Hintergrundstrahlung im Partikelzahlsensor;
Figur 5 eine Draufsicht auf strahlungsempfindliche Flächen des Detektors;
Figur 6 einen Verlauf von Hintergrundstrahlung, die auf den Detektor einfällt, in einem Zeitintervall; und
Figur 7 einen Verlauf des Signals des zentralen Detektors in demselben Zeitintervall.
Figur 1 veranschaulicht das auf der Laser Induzierten Inkandeszenz (LII) basierende Messprinzip. Laserstrahlung 10 hoher Intensität trifft auf ein Partikel 12. Das Partikel 12 ist insbesondere ein Rußpartikel. Die Intensität der Laserstrahlung 10 ist so hoch, dass die vom Partikel 12 absorbierte Energie der Laserstrahlung 10 das Partikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt. Als Folge der Erhitzung emittiert das Partikel 12 spontan und im Wesentlichen ohne Vorzugsrichtung signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung, im Folgenden auch als Lll-Strahlung 14 bezeichnet. Ein Teil der in Form von Temperaturstrahlung emittierten Lll-Strahlung 14 wird daher auch entgegengesetzt zur Richtung der einfallenden Laserstrahlung 10 emittiert.
Figur 2 zeigt schematisch einen prinzipiellen Aufbau eines Partikelzahlsensors 16. Der Partikelzahlsensor 16 weist hier einen Laser 18 auf, dessen bevorzugt parallele Laserstrahlung 10 mit wenigstens einem im Strahlengang des Lasers 18 angeordneten ersten optischen Element 20 auf einen sehr kleinen Laserspot 22 fokussiert wird. Das erste optische Element 20 ist bevorzugt eine erste Linse 24, kann aber auch als Reflektor realisiert sein. Nur im Volumen des Laserspots 22 erreicht die Intensität der Laserstrahlung 10 die für LII notwendigen hohen Werte. Der Laser 18 kann eine Laserdiode sein, die als continuous wave Laser oder aber auch gepulst betrieben werden kann.
Die Abmessungen des Laserspots 22 liegen im Bereich einiger pm, insbesondere im Bereich von höchstens 200 pm, sodass den Laserspot 22 durchquerende Partikel 12 zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen angeregt werden, sei es durch laserinduzierte Inkandeszenz oder durch chemische Reaktionen (insbesondere Oxidation). Als Folge kann davon ausgegangen werden, dass sich stets höchstens ein Partikel 12 in dem Laserspot 22 befindet und dass ein momentanes Messsignal des Partikelzahlsensors 16 nur von diesem höchstens einen Partikel 12 stammt. Das Messsignal wird von einer Detektionsvorrichtung 26 erzeugt, die im Partikelzahlsensor 16 so angeordnet ist, dass sie Strahlung 14, insbesondere Temperaturstrahlung, detektiert, die von einem Partikel 12 ausgeht, das den ersten Spot 22 durchfliegt. Die Detektionsvorrichtung 26 weist dazu bevorzugt wenigstens eine für die Strahlung 14 empfindliche erste Fläche 26.1 auf
Es ist durchaus möglich, dass der Laser 18 moduliert bzw. an- und ausgeschaltet wird (duty cycle < 100%). Bevorzugt bleibt jedoch, dass der Laser 18 ein CW- Laser ist. Dies ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Halbleiter-Laser- Elementen (Laser-Dioden), was den kompletten Partikelzahlsensor 16 verbilligt und die Ansteuerung des Lasers 18 und die Auswertung des Messsignals stark vereinfacht. Die Verwendung gepulster Laser ist aber nicht ausgeschlossen.
Figur 3 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Partikelzahlsensors 16, der sich für den Einsatz als Rußpartikelzahlsensor im Abgas 32 eines Verbrennungsprozesses eignet.
Der Partikelzahlsensor 16 weist einen ersten Teil 16.1 auf, der dazu eingerichtet ist, einem Messgas (hier: das Abgas 32) ausgesetzt zu werden, und er weist einen dem Messgas nicht auszusetzenden zweiten Teil 16.2 auf, der die optischen Komponenten des Partikelzahlsensors 16 enthält. Beide Teile sind durch eine für das Messgas undurchlässige Trennwand 16.3 getrennt. Die Trennwand 16.3 ist zum Beispiel ein Teil eines Abgasrohrs eines Verbrennungsmotors. In der Trennwand 16.3 ist im Strahlengang der Laserstrahlung 10 ein Fenster 34 angebracht, das sowohl für die Laserstrahlung 10 als auch für vom Laserspot 22 ausgehende Strahlung 14 durchlässig ist.
Der erste Teil 16.1 des Partikelzahlsensors 16 weist eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr 28 und einem inneren Schutzrohr 30 auf. Die beiden Schutzrohre 28, 30 haben bevorzugt eine allgemeine Zylinderform oder Prismenform. Die Grundflächen der Zylinderformen sind bevorzugt kreisförmig, elliptisch oder vieleckig. Die Zylinder sind bevorzugt koaxial angeordnet, wobei die Achsen der Zylinder quer zur Strömung von Abgas 32 ausgerichtet sind. Das innere Schutzrohr 30 ragt in Richtung der Achsen der Zylinder über das äußere Schutzrohr 28 hinaus in das strömende Abgas 32 hinein. An dem dem strömenden Abgas 32 abgewandten Ende der beiden Schutzrohre 28, 30 (in Figur 3: oben) ragt das äußere Schutzrohr 28 über das innere Schutzrohr 30 hinaus. Die lichte Weite des äußeren Schutzrohrs 28 ist bevorzugt so viel größer als der äußere Durchmesser des inneren Schutzrohrs 30, dass sich zwischen den beiden Schutzrohren 28, 30 ein erster Strömungsquerschnitt ergibt. Die lichte Weite des inneren Schutzrohrs 30 bildet einen zweiten Strömungsquerschnitt.
Diese Geometrie hat zur Folge, dass Abgas 32 über den ersten Strömungsquerschnitt in die Anordnung der beiden Schutzrohre 28, 30 eintritt, dann an dem dem Abgas 32 abgewandten Ende der Schutzrohre 28, 30 seine Richtung ändert, in das innere Schutzrohr 30 eintritt und aus diesem vom vorbeiströmenden Abgas 32 herausgesaugt wird. Dabei ergibt sich im inneren Schutzrohr 30 eine laminare Strömung. Diese Anordnung von Schutzrohren 28, 30 wird mit dem Partikelzahlsensor 16 quer zur Abgasströmung an, bzw. in einem Abgasrohr befestigt.
Ein solcher erster Teil 16.1 eines Partikelzahlsensors ist ein Bestandteil eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Seine Merkmale sind aber keine erfindungswesentlichen Merkmale. Die erfindungswesentlichen Merkmale sind Bestandteil des zweiten Teils 16.2 des Partikelzahlsensors 16.
Der zweite Teil 16.2 weist einen Laser 18 mit einer Sammellinse 19, ein erstes optisches Element 20 , ein zweites optisches Element 23, einen Strahlteiler 25, einen Filter 27 und die Detektionsvorrichtung 26 auf. Das zweite optische Element 23 kann eine Linse oder ein Reflektor sein. Das erste optische Element 20 ist in einem Strahlengang der Laserstrahlung 10 so angeordnet, dass es vom Laser 18 her einfallende Laserstrahlung 10 in den Laserspot 22 fokussiert, und das zweite optische Element 23 ist so angeordnet, dass es vom Laserspot 22 ausgehende Strahlung 14 in einen Temperaturstrahlungsspot 29 fokussiert. Der Strahlteiler 25 reflektiert einfallende Laserstrahlung in Richtung zum ersten optischen Element 20 und ist für Temperaturstrahlung 14 transparent. Die Detektionsvorrichtung 26 weist eine für Strahlung 14 empfindliche erste Fläche 26.1 auf, die so im Strahlengang der fokussierten Temperaturstrahlung 14 angeordnet ist, dass sie mit der fokussierten Temperaturstrahlung 14 beleuchtet wird. Darüber hinaus weist die Detektionsvorrichtung 26 eine für Temperaturstrahlung 14 empfindliche zweite Fläche 16.2 auf, die so angeordnet ist, dass sie nicht mit der vom Laserspot 22 ausgehenden Temperaturstrahlung 14 beleuchtet wird.
Der Filter 27 ist im Spektralbereich der Laserstrahlung 10 weniger transparent als im übrigen Spektralbereich und trägt damit dazu bei, dass das Signal der Detektionsvorrichtung nicht durch Einflüsse gestreuter Laserstrahlung 10 verfälscht wird.
Figur 4 zeigt Strahlengänge von erwünschter Temperaturstrahlung 14 und unerwünschter Hintergrundstrahlung 17 im Partikelzahlsensor 16.
Auf Grund des konfokalen Aufbaus von Anregungs- und Detektionspfad befindet sich das durch Laserstrahlung 10 erhitzte und Lll-Strahlung (Die Lll-Strahlung 14 ist auch Temperaturstrahlung) emittierende Partikel 12 im Brennpunkt der abbildenden optischen Elemente 20, 23 und die Lll-Strahlung 14 des Partikels wird auf die erste strahlungsempfindliche Fläche 26.1 der Detektionsvorrichtung 26 abgebildet. Die erste strahlungsempfindliche Fläche 26.1 der Detektionsvorrichtung 26 bildet einen zentralen Bereich der Detektionsvorrichtung 16, durch den die optische Achse des Aufbaus hindurch verläuft.
Unter einem konfokalen Aufbau wird hier verstanden, dass sowohl ein Brennpunkt der vom Laser 18 ausgehenden Laserstrahlung 10, deren Strahlengang den Anregungspfad bildet, als auch ein Brennpunkt der auf die Detektorvorrichtung 26 einfallenden Lll-Strahlung 14 in dem Laserspot 22 liegen.
Die zweite strahlungsempfindliche Fläche 26.2 der Detektionsvorrichtung 26, die zur Erfassung des Hintergrundsignals dient, ist vorteilhafterweise so angeordnet, dass sie einerseits außerhalb des Bereichs liegt, auf den die Lll-Strahlung abgebildet wird, aber andererseits möglichst ähnlich von Hintergrundsignal betroffen sind wie die erste strahlungsempfindlcieh Fläche 26.1. In dem hier gezeigten Beispiel ist dies durch eine parallele Anordnung der strahlungsempfindlichen Flächen 26.1, 26.2 gegeben, bei der diese Flächen unmittelbar nebeneinander in derselben Ebene angeordnet sind.
Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf eine strahlungsempfindliche Gesamtfläche einer Detektionsvorrichtung 26. Als Detektionsvorrichtung 26 sind sogenannte Silicon photomultiplier (SiPM) besonders geeignet, da sie eine hohe Detektionseffizienz und eine intrinsische Verstärkung aufweisen. Ein Silicon photomultiplier (SiPM) besteht aus einem Feld von einzelnen Avalanche- Photodioden (APD), deren Ausgänge zu einem Summensignal zusammengeschlossen sind.
Die strahlungsempfindliche Gesamtfläche setzt sich aus einer ersten Teilfläche 26.1 und einer zweiten Teilfläche 26.2 zusammen. Ein Zentrum der Gesamtfläche liegt in der ersten Teilfläche 26.1. Die zweite Teilfläche 26.2 erstreckt sich in einer geschlossenen Schleife um die erste Teilfläche 26.1 herum. Jede der beiden Teilflächen 26.1, 26.2 wird durch Avalanche- Photodioden vollständig ausgefüllt. Die erste Teilfläche bildet die strahlungsempfindliche erste Fläche 26.1, und wird durch erste Avalanche- Photodioden 31 ausgefüllt. Die zweite Teilfläche bildet die strahlungsempfindliche zweite Fläche 26.2 der Detektionsvorrichtung 26 und wird durch zweite Avalanche-Photodioden 33 ausgefüllt . Die Ausgänge der erste Avalanche-Photodioden 31 der ersten Teilfläche sind an einem ersten Photostromsummierknoten 35 miteinander verbunden. Die Ausgänge der zweiten Avalanche-Photodioden 33 der zweiten Teilfläche sind an einem zweiten Photostromsummierknoten 37 miteinander verbunden.
Figur 6 zeigt einen Verlauf von Hintergrundstrahlung 17, die auf die zweite strahlungsempfindliche Fläche 26.2 der Detektionsvorrichtung 26 in einem Zeitintervall einfällt. Dieser Verlauf l(t), beziehungsweise der durch diesen Verlauf erzeugte Photostrom ist an dem zweiten Photostromsummierknoten 37 abnehmbar.
Figur 7 zeigt einen Verlauf l(t) der Summe aus Hintergrundstrahlung 17 und LI I- Strahlung, die in demselben Zeitintervall auf die zweite strahlungsempfindliche Fläche der Detektionsvorrichtung einfällt. Die Hintergrundstrahlung 17 ist Temperaturstrahlung. Dieser Verlauf, beziehungsweise der durch diesen Verlauf erzeugte Photostrom ist an dem ersten Photostromsummierknoten 35 abnehmbar.
Der in der Figur 7 dargestellte Verlauf unterscheidet sich von dem in der Figur 6 dargestellten Verlauf nur durch die zusätzlichen Spitzen 39 und 41 Diese Spitzen
39, 41 werden jeweils durch Lll-Strahlung einzelner Partikel 12 erzeugt, wobei die Höhe und Breite der Spitzen 39, 41 mit wachsender Größe der Partikel 12 zunimmt. Insbesondere die erste Spitze 39 unterscheidet sich nur wenig von der Hintergrundstrahlung 17.
Dadurch, dass die in den Figuren 6 und 7 dargestellten Verläufe an verschiedenen Photostromsummierknoten 35, 37 und damit an verschiedenen Anschlüssen des Partikelzahlsensors 16 anliegen, können sie voneinander subtrahiert werden, so dass als Ergebnis nur die Spitzen 39, 41 ohne Hintergrundstrahlungseinflüsse übrig bleiben. Ein Steuergerät, an das der
Partikelzahlsensor 16 in seinem Betrieb angeschlossen ist, kann dadurch Zahl und Größe der Partikel 12, die durch den Laserspot 22 fliegen bestimmen. Mit Kenntnis des Messgasstroms und der Größe von Laserspot und Messgasvolumen kann daraus die Zahl der Partikel im Messgasvolumen bestimmt werden.

Claims

Ansprüche
1. Partikelzahlsensor (16) mit einem Laser (18), mit dem Laserstrahlung (10) emittierbar ist, und mit einem ersten optischen Element (20) und einem zweiten optischen Element (23), wobei das erste optische Element (20) in einem Strahlengang der Laserstrahlung (10) so angeordnet ist, dass es vom Laser (18) her einfallende Laserstrahlung (10) in einen Laserspot (22) fokussiert und wobei das zweite optische Element (23) so angeordnet ist, dass es vom Laserspot (22) ausgehende Temperaturstrahlung (14) in einen Temperaturstrahlungsspot (29) fokussiert und mit einer Detektionsvorrichung (26), die eine für Temperaturstrahlung (14) empfindliche erste Fläche (26.1) aufweist, die so im Strahlengang der fokussierten Temperaturstrahlung (14) angeordnet ist, dass sie mit der fokussierten Temperaturstrahlung (14) beleuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsvorrichtung (26) eine für Temperaturstrahlung (14) empfindliche zweite Fläche (26.2) aufweist, die so angeordnet ist, dass sie nicht mit der vom Laserspot (22) ausgehenden Temperaturstrahlung (14) beleuchtet wird.
2. Partikelzahlsensor (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (26.1) ein Zentrum aufweist und so angeordnet ist, dass eine optische Achse der konfokalen Anordnung durch das Zentrum hindurchgeht.
3. Partikelzahlsensor (16) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (26.1) und die zweite Fläche (26.2) in einer Ebene angeordnet sind.
4. Partikelzahlsensor (16) nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (26.1) und die zweite Fläche (26.2) unmittelbar aneinander angrenzen.
5. Partikelzahlsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fläche (26.2) neben der ersten Fläche (26.1) angeordnet ist .
6. Partikelzahlsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fläche (26.2) in einer geschlossenen Schleife um die erste Fläche (26.1) herum verläuft.
7. Partikelzahlsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fläche (26.2) in Bezug auf die Größe der ersten Fläche (26.1) so groß ist, dass eine Summe einer auf die zweite Fläche (26.2) einfallendenden Hintergrundstrahlung (17) so groß ist wie eine Summe einer auf die ersten Fläche (26.1) einfallenden Hintergrundstrahlung (17).
8. Partikelzahlsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche erste Fläche (26.1) eine erste Teilfläche eines Silicon Photomultipliers als Detektionsvorrichtung (26) sind und dass die strahlungsempfindliche zweite Fläche (26.2) eine zweite Teilfläche des Silicon Photomultipliers ist.
9. Partikelzahlsensor (16) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilfläche ein erstes Feld von Avalanche-Photodioden aufweist und dass die zweite Teilfläche ein zweites Feld von Avalanche-Photodioden aufweist.
10. Partikelzahlsensor (16) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeicnet, dass erste Avalanche-Photodioden (31) der ersten Teilfläche an einen ersten Photostromsummierknoten (35) angeschlossen sind und dass zweite Avalanche-Photodioden (33) der zweiten Teilfläche an einen zweiten Photostromsummierknoten (37) angeschlossen sind.
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