WO2022043237A1 - Partikeldetektionseinrichtung, verfahren zum betreiben einer partikeldetektionseinrichtung und computerprogramm - Google Patents

Partikeldetektionseinrichtung, verfahren zum betreiben einer partikeldetektionseinrichtung und computerprogramm Download PDF

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Andreas Waag
Heiko Brüning
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Technische Universität Braunschweig
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Definitions

  • Particle detection device Particle detection device, method for operating a particle detection device and computer program
  • the invention relates to a particle detection device for detecting particles within a fluid, having an optical detection unit with at least one fluid flow channel, at least one light source and at least one light detector, and with an evaluation device which is set up to determine a measured variable characterizing the particles.
  • the invention also relates to a method for operating such a particle detection device and a computer program for carrying out the method.
  • the invention relates to the field of particle detection in fluids, for example in gaseous or liquid fluids.
  • Particle detection is required, for example, to check the purity of the air atmosphere.
  • Nano and microparticles are generally generated during the operation of internal combustion engines in industry and transport. New standards require the detection of the smallest particles in the nanometer range to classify the emission behavior. With currently available devices, however, it is not possible to reproducibly measure the actual particle emissions in all operating states and application scenarios. For stationary applications, the measurement of nanoparticles can be realized with laboratory setups; here, large and complex laser-based systems are usually used; transferability to mobile applications with comparable accuracy is not given. Similar to particle detection in air or gases, detection in liquids is also necessary. The invention is based on the object of specifying improved options for particle detection in fluids, in particular for mobile applications.
  • the detection unit has a plurality of individual light sources arranged one behind the other and next to one another in the flow direction of the fluid through the fluid flow duct, through which light can be emitted into the fluid flow duct, with the light detector detecting a plurality of the light from the Light detector elements receiving light sources from the fluid flow channel, wherein the evaluation device is set up to detect the shading of the light from the light sources caused by the particles of the fluid flowing through the fluid flow channel on the light detector using the signals from the light detector elements and to determine the measured variable characterizing the particles from this.
  • the invention is thus based on evaluating the shading caused by the particles in the light beam path from one light source or several light sources to one or several light detector elements and thus the reduction in the light intensity measured at the light detector elements.
  • the particle detection device makes it possible to detect small and very small particles in gases and liquids, for example to count them or to determine their size or to determine their speed.
  • the measured variable determined by the evaluation device can therefore be an indication of the number of particles or particle size per fluid quantity or unit of time or an indication of the particle speed. Compared to known particle measuring devices, a significant improvement in the detection device can be made possible with the invention at comparatively little expense.
  • Particle measuring devices which work on small particles according to the principle of Mie scattering.
  • the particle runs through a measurement section once, on which the particle is illuminated on one side with a collimated laser beam.
  • the light scattered by the particle is picked up by detectors and the signal is evaluated.
  • the intensity of the scattered light is correlated with the size of the particle.
  • This measuring principle is on the edge of its due to constant improvement physical possibilities and cannot enable a significant improvement in the detection accuracy in the form that is sometimes used.
  • a completely new measuring principle is proposed which is based on observing and evaluating the variation in the light intensity on the light detector or on the individual light detector elements.
  • a particularly good signal-to-noise ratio can be achieved during the measurement by suitably dimensioning the size of the light sources and the size of the light detector elements in relation to the size of the desired particles to be detected.
  • the individual light sources can, for example, be permanently switched on during a measurement or switched on and off according to specific patterns.
  • the particle detection device according to the invention can in particular be implemented with a particularly compact structure, so that mobile applications, for example handheld devices, are possible.
  • the invention makes it possible to improve the signal-to-noise ratio, which is the limitation for detecting smaller particles in previous devices. Therefore, smaller particles than before can be detected with the proposed new measuring principle.
  • the light sources are set up to emit light into the fluid flow channel.
  • the fluid flow channel can, for example, be made transparent at least at the points at which the light sources are arranged.
  • the light sources can protrude into the fluid flow channel; alternatively, the light output can also be guided to the target position using suitable aids such as mirrors or optical fibers.
  • the light from the light sources can be emitted directly into the fluid flow channel or guided through focusing optics.
  • the light can be radiated in a focused manner into the fluid flow channel by the focusing optics.
  • the diameter of a light source is less than ten times the diameter of the smallest detectable particle specified for the particle detection device.
  • the diameter of a light source can also be less than five times or twice the diameter of the smallest detectable particle specified for the particle detection device.
  • the diameter of a light source can be smaller than or equal to the diameter of the smallest detectable particle specified for the particle detection device. This can apply to some or all light sources. This has the advantage that the dimensions of the light sources are of the same order of magnitude as the particles to be detected. A particle moving past then completely or at least to a large extent shadows a light source, as a result of which the light intensity received at the light detector elements varies particularly greatly.
  • the diameter of a light source can be in the micro or nanometer range, for example.
  • the diameter of a light source can be, for example, in the range from 50 nanometers to 200 ⁇ m, in particular 50 to 500 nanometers.
  • the light sources can be provided in the form of a micro or nano LED array, for example.
  • the individual light sources can be switched individually.
  • Such an LED array can have, for example, 256 individual pixels (light sources), so that a corresponding number of measurement signals can be detected at the light detector elements.
  • the evaluation device is set up to determine the measured variable characterizing the particles using the remaining light intensity in the area of the light detector shaded by the respective particle and/or using the time gradient of the light intensity. This allows a reliable determination of the particle sizes and their number.
  • the evaluation device is set up to determine the measured variable characterizing the particle on the basis of a plurality of shadings of the light from different light sources generated sequentially by the particle. As a result, the quality of the measurement results can be further improved.
  • the particle detection device has a control unit for controlling the light emission of the multiple light sources arranged one behind the other, the control unit being set up to activate one or more light sources according to predetermined patterns for light emission.
  • the control unit is set up to sequentially activate the light sources in the flow direction of the fluid through the fluid flow channel during a measurement process to emit light. In this way, a light pattern that spatially follows the fluid flowing through in the fluid flow channel and thus the particles can be generated by the light sources. This can also significantly improve the detection accuracy of the particles.
  • the speed of the light emission pattern of the light sources in the flow direction of the fluid through the fluid flow channel corresponds to the flow speed.
  • the speed of the light emission pattern of the light sources in the flow direction of the fluid through the fluid flow channel may not correspond to the flow speed of the fluid through the fluid flow channel.
  • a light curtain oriented substantially perpendicular to the flow direction of the fluid can be generated in the fluid flow channel by one or more light sources.
  • a light curtain can ensure that all particles in the fluid flow channel are detected by the light sources.
  • the measurement results can be determined particularly reliably, since the shadings detected on the light detector elements can be assigned particularly well to individual particles.
  • a light source can be formed, for example, by an elongated light source running transversely to the fluid flow channel or by a plurality of individual light sources arranged next to one another, which can be switched on together.
  • the light emission can also be modulated in a direction perpendicular to the flow direction of the fluid through the fluid flow channel, for example according to predetermined patterns.
  • the light sources can, for example, be activated sequentially one after the other to emit light during a measurement process. In this way, when a particle passes the light curtain, it can also be detected at which lateral position the particle was located.
  • the light sources can be realized, for example, as micro-LEDs based on gallium nitride.
  • a light source can additionally have collimation optics in order to ensure parallel light emission into the fluid flow channel.
  • a collimation optic can also be assigned to several light sources, e.g. the respective light sources of a light curtain.
  • the light detector can have, for example, a large number of light detector elements which can be arranged in the form of an array or in the form of a matrix.
  • the light detector can be in the form of a digital camera chip, for example a CMOS camera chip.
  • the object mentioned at the outset is also achieved by a method for operating a particle detection device of the type explained above, in which the shading of the light from the light sources caused by the particles of the fluid flowing through the fluid flow channel at the light detector is detected using the signals from the light detector elements and from this the particles characteristic measurement variable is determined.
  • the advantages explained above can also be realized in this way.
  • the measured variable characterizing the particles can be determined using the remaining light intensity in the area of the light detector shaded by the respective particle and/or using the time gradient of the light intensity.
  • the measured variable characterizing the particle can also be determined on the basis of a plurality of shadings of the light from different light sources generated sequentially by the particle.
  • the object mentioned at the outset is also achieved by a computer program with program code means set up to carry out a method of the type explained above when the computer program is executed on a computer of the particle detection device or on another system for data processing.
  • the computer can be designed as a commercially available computer, for example as a PC, laptop, notebook, tablet or smartphone, or as a microprocessor, microcontroller or FPGA, or as a combination of such elements.
  • the computer can be part of the evaluation device, for example.
  • the invention can generally be used for the detection of micro- and nanoparticles in fluidic systems - the fluid can be both gaseous and liquid. This results in a multitude of possible uses.
  • gaseous fluids the measurement of nanoparticle emissions from internal combustion engines can serve, which is currently a very relevant topic in the automotive industry.
  • the blood in the human body can serve as an example of a fluid in the liquid state mixed with nanoparticles.
  • nanoparticles are very dangerous and there is great interest in detection and measurement, since nanoparticles can pass through the brain barrier and are therefore suspected to be the cause of a large number of diseases.
  • FIG. 1 shows a particle detection device 1 which has an optical detection unit with a fluid flow channel 4, a number of light sources 7 and a light detector 9 with a number of light detector elements.
  • the particle detection device 1 can additionally have a flow generator 6 , for example a pump or a fan, in order to force a fluid flow of the fluid through the fluid flow channel 4 .
  • the flow generator 6 can be arranged, for example, at the inlet 5 or outlet 8 of the fluid flow channel 4 and suck in the fluid from the environment. The fluid is then guided through the fluid flow channel 4 in a flow direction 3 and discharged again at an outlet 8 .
  • the light sources 7 are arranged one behind the other in the direction of flow 3, for example at equal or unequal distances from one another.
  • the light sources 7 can each radiate light 11 into the fluid flow channel 4, for example in the form of light curtains.
  • Particles 2 in the fluid flowing through block the light 11 from the light detector 9 .
  • the light detector elements of the light detector 9 pick up such shading from the particles 2 in the form of local light intensity reductions.
  • the light detector 9 is connected to an evaluation device 10, which evaluates the light intensity reductions recorded by the light detector elements and from this determines the measured variable characterizing the particles, for example the number of particles per fluid quantity or time unit or the particle size.
  • the evaluation device 10 can have a computer which executes a corresponding method, for example in the form of a computer program.
  • the light sources 7 can be connected to a control unit.
  • the light output of the light sources 7 can be controlled with the control unit.
  • the control unit is set up to activate one or more light sources 7 according to predetermined patterns to emit light.
  • the control unit can have a computer which executes a corresponding method, for example in the form of a computer program.
  • the evaluation device 10 can be coupled to the control unit or can be designed as a unit with it.
  • the evaluation device 10 can receive data from the control unit which characterize the respective light patterns emitted by the light sources 7 . With the help of this data, the evaluation device 10 can further improve the detection accuracy of the particles 2 . If the evaluation device 10 is designed as a unit with the control unit, this data is already present in the unit.
  • the light sources 7 can be realized, for example, by lasers or light-emitting diodes (LEDs), for example by micro- or nano-LEDs. LEDs are particularly advantageous for high optical stability of the overall system. Therefore, in the following, LEDs are to be described as lighting, although other options are also conceivable, provided they emit sufficiently reproducible light.
  • the particle 2 first flows at a defined speed into the measuring section, ie the fluid flow channel 4, while at least the first light source 7 in the flow direction 3 is switched on.
  • Several light sources 7 can also be switched on. When the light passes through the first light source 7, part of the light is shaded, which is picked up by the light detector elements and emitted as a signal.
  • the illumination by the first light source 7 can be switched off immediately after its light has passed through.
  • the particle 2 moves in the direction of the second light source 7 in the through-flow direction 3, which is switched on, so that the particle passes through another light area and shadowing is again recorded by the light detector elements 9.
  • the evaluation device 10 determines the measured variable characterizing the particles 2 and outputs it via a Interface 12 off.
  • the lateral distance of the LEDs is determined by the production process of the LEDs and can be realized with extremely small dimensional deviations in the range of a few nanometers from the nominal size.
  • the individual LEDs can be switched separately with a frequency of 1 MHz or more.
  • the light emission is practically instantaneous.
  • the brightness of the LEDs can be controlled or regulated by a simple principle.
  • the inflow volume of the fluid sucked in from the environment per unit of time is set or regulated by the flow generator 6; the fluid flow is thus sucked through the measuring section 4 .
  • the speed of the fluid in the measuring section is, for example, 10 ... 10000 mm/s.
  • the section of the measuring section equipped with the light sources 7 has a length of 0.1 . . . 30 mm, for example. Both the The inlet and outlet lengths of the fluid channel 4 can be several centimeters in order to achieve a laminar flow.
  • the light sources 7 can be designed in such a way that they emit a wavelength in the range between 150...2500 nm, for example; preferably visible light between 350...800 nm can be used.
  • the arrangement of the light sources 7 can have different geometries.
  • the square arrangement of square light sources 7, for example pLEDs, is possible, but also a formation of light sources 7 with an elongate extension to produce “light curtains” (compared to points of light); however, other arrangements can also be chosen.
  • the size of the square light sources is, for example, between 0.1 ... 200 pm; the light curtains can have a similar width in the direction of flow 3, with the length being up to 5 mm.
  • the length of the optical measuring section is, for example, 10 to 1500 ⁇ m, depending on the number of light curtains or light sources used.
  • the number of light curtains or light sources can be influenced by the nature of the particles to be detected, their size, their flow rate and their geometry.
  • the light sources can be designed in such a way that, depending on the lighting condition, there is an intensity of approx. 1 ... 10000 kW/m 2 . These intensities are required in order to obtain signals on the light detector 9 that can be evaluated.
  • the light detector 9 can be monochromatic.
  • the light detector 9 and the light sources 7 can be oriented perpendicular to a reference plane.
  • the light detector 9 and the light sources 7 can be arranged at least predominantly parallel to one another.
  • the flow direction 3 preferably runs orthogonally to the direction of the reference plane and orthogonally to the light emission direction of the light sources 7.

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Abstract

Partikeldetektionseinrichtung zur Erfassung von Partikeln innerhalb eines Fluids, auf- weisend eine optische Detektionseinheit mit wenigstens einem Fluidströmungskanal, wenigstens einer Lichtquelle und wenigstens einem Lichtdetektor, und mit einer Auswerteinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine die Partikel kennzeichnende Messgröße zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit mehrere in Durchströmrichtung des Fluids durch den Fluidströmungskanal hintereinander und nebeneinander angeordnete einzelne Lichtquellen aufweist, durch die Licht in den Fluidströmungskanal abstrahlbar ist, wobei der Lichtdetektor mehrere das Licht der Lichtquellen aus dem Fluidströmungskanal aufnehmende Lichtdetektorelemente aufweist, wobei die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, die von den Partikeln des den Fluidströmungskanal durchströmenden Fluids am Lichtdetektor bewirkten Abschattungen des Lichts der Lichtquellen anhand der Signale der Lichtdetektorelemente zu detektieren und daraus die die Partikel kennzeichnende Messgröße zu bestimmen.

Description

Partikeldetektionseinrichtung, Verfahren zum Betreiben einer Partikeldetektionseinrichtung und Computerprogramm
Die Erfindung betrifft eine Partikeldetektionseinrichtung zur Erfassung von Partikeln innerhalb eines Fluids, aufweisend eine optische Detektionseinheit mit wenigstens einem Fluidströmungskanal, wenigstens einer Lichtquelle und wenigstens einem Lichtdetektor, und mit einer Auswerteinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine die Partikel kennzeichnende Messgröße zu bestimmen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Partikeldetektionseinrichtung sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens.
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der Partikeldetektion in Fluiden, beispielsweise in gasförmigen oder flüssigen Fluiden. Eine Partikeldetektion ist beispielsweise zur Überprüfung der Reinheit der Luftatmosphäre erforderlich.
Die Reinheit der Atmosphäre ist u.a. im Zuge aktueller Entwicklungen (Trend zur Urbanisierung, erhöhtes Verkehrsaufkommen, verstärktes Gesundheitsbewusstsein, etc.) Gegenstand alltäglicher Diskussion, insbesondere wird die Belastung der Luft mit Nano- und Mikropartikeln betrachtet. Nano- und Mikropartikel entstehen allgemein bei dem Betrieb von Verbrennungsmotoren in Industrie und Verkehr. Neue Normen erfordern das Detektieren von kleinsten Partikeln im Nanometerbereich zur Klassifizierung des Emissionsverhaltens. Mit aktuell verfügbaren Geräten ist es allerdings nicht möglich, den tatsächlichen Partikelausstoß reproduzierbar in sämtlichen Betriebszuständen und Anwendungsszenarien zu messen. Für stationäre Anwendungen kann zwar die Messung von Nanopartikeln mit Laboraufbauten realisiert werden; hier kommen üblicherweise große und komplexe laserbasierte Systeme zum Einsatz; eine Übertragbarkeit auf mobile Anwendungen bei vergleichbarer Genauigkeit ist dennoch nicht gegeben. Ähnlich zur Partikeldetektion in Luft bzw. Gasen ist auch die Detektionen in Flüssigkeiten notwendig. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Möglichkeiten zur Partikeldetektion in Fluiden anzugeben, insbesondere für mobile Anwendungen.
Diese Aufgabe wird bei einer Partikeldetektionseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Detektionseinheit mehrere in Durchströmrichtung des Fluids durch den Fluidströmungskanal hintereinander und nebeneinander angeordnete einzelne Lichtquellen aufweist, durch die Licht in den Fluidströmungskanal ab- strahlbar ist, wobei der Lichtdetektor mehrere das Licht der Lichtquellen aus dem Fluidströmungskanal aufnehmende Lichtdetektorelemente aufweist, wobei die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, die von den Partikeln des den Fluidströmungskanal durchströmenden Fluids am Lichtdetektor bewirkten Abschattungen des Lichts der Lichtquellen anhand der Signale der Lichtdetektorelemente zu detektieren und daraus die die Partikel kennzeichnende Messgröße zu bestimmen. Die Erfindung basiert somit darauf, die im Lichtstrahlenweg von einer Lichtquelle oder mehreren Lichtquellen zu einem oder mehreren Lichtdetektorelementen durch die Partikel bewirkte Abschattung und damit die Verringerung der an den Lichtdetektorelementen gemessenen Lichtintensität auszuwerten.
Die erfindungsgemäße Partikeldetektionseinrichtung ermöglicht es, kleine und kleinste Partikel in Gasen und Flüssigkeiten zu detektieren, beispielsweise zu zählen oder deren Größe zu bestimmen oder deren Geschwindigkeit zu bestimmen. Die von der Auswerteeinrichtung bestimmte Messgröße kann daher eine Angabe über die Partikelanzahl oder Partikelgröße pro Fluidmenge oder Zeiteinheit oder eine Angabe über die Partikelgeschwindigkeit sein. Gegenüber bekannten Partikelmessgeräten kann mit der Erfindung eine wesentliche Verbesserung der Detektionseinrichtung bei vergleichsweise geringem Aufwand ermöglicht werden.
Es sind Partikelmessgeräte bekannt, die nach dem Prinzip der Mie-Streuung an kleinen Partikeln arbeiten. Hierbei durchläuft der Partikel einmalig eine Messstrecke, auf der der Partikel einseitig mit einem kollimierten Laserstrahl beleuchtet wird. Das vom Partikel gestreute Licht wird von Detektoren aufgefangen und das Signal ausgewertet. Unter anderem wird die Intensität des Streulichts korreliert mit der Größe des Partikels. Dieses Messprinzip ist aufgrund stetiger Verbesserung an den Rand seiner physikalischen Möglichkeiten gelangt und kann in der bisweilen betriebenen Form nicht eine wesentliche Verbesserung der Detektionsgenauigkeit ermöglichen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein vollständig neuartiges Messprinzip vorgeschlagen, das darauf beruht, die Variation der Lichtintensität am Lichtdetektor beziehungsweise an den einzelnen Lichtdetektorelementen zu beobachten und auszuwerten. Durch geeignete Dimensionierung der Größe der Lichtquellen und der Größe der Lichtdetektorelemente in Relation zur Größe der gewünschten zu erfassenden Partikel kann ein besonders gutes Signal-ZRausch-Verhältnis bei der Messung erreicht werden.
Die einzelnen Lichtquellen können während einer Messung beispielsweise dauerhaft eingeschaltet sein oder nach bestimmten Mustern ein- und ausgeschaltet werden.
Durch die erfindungsgemäße Messung kann eine massive Parallelverarbeitung aufgrund der Vielzahl der einzelnen Lichtquellen und Lichtdetektorelemente durchgeführt werden, was eine besonders hohe Messgenauigkeit ermöglicht. Da ein den Fluidströmungskanal durchströmender Partikel im Laufe seiner Propagation durch die optische Detektionseinheit sequentiell mehrere Lichtquellen abschattet, führt ein entsprechender Signalvergleich verschiedener Lichtdetektorelemente des Lichtdetektors zu einer erheblich besseren Qualität der Messergebnisse. Durch einen solchen sequentiellen Abschattungsverlauf kann insbesondere auch die Größenbestimmung und Einordnung der Mikro- und Nano-Partikel durch teilweise Abschattungen in den Zwischenbereichen der Lichtdetektorelemente verbessert werden.
Die erfindungsgemäße Partikeldetektionseinrichtung kann insbesondere mit einem besonders kompakten Aufbau realisiert werden, sodass mobile Anwendungen, beispielsweise Handheld-Geräte, möglich sind.
Die Erfindung ermöglicht eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, die bei bisherigen Geräten die Limitation zur Erkennung kleinerer Partikel darstellt. Daher können mit dem vorgeschlagenen neuen Messprinzip kleinere Partikel als bisher erfasst werden. Wesentliche Vorteile bestehen in der Kombination der Mobilität der Partikeldetektionseinrichtung zusammen mit der Möglichkeit, Nanopartikel reproduzierbar zu erfassen. Es handelt sich um ein kostengünstigeres, besser integrierbares und massiv parallel durchführbares neues Messverfahren. Im Vergleich zu Messverfahren, die eine berührende Detektion der Nanopartikel erfordern, arbeitet das vorgestellte optische System berührungslos. Dadurch muss sich der Partikel nicht auf einer Oberfläche absetzen, der Sensor muss nicht regelmäßig gereinigt werden, sondern kann kontinuierlich betrieben werden.
Die Lichtquellen sind dabei zur Lichtabgabe in den Fluidströmungskanal eingerichtet. Hierzu kann der Fluidströmungskanal beispielsweise zumindest an den Stellen, an denen die Lichtquellen angeordnet sind, transparent ausgebildet sein. Alternativ können die Lichtquellen in den Fluidströmungskanal hineinragen; alternativ kann die Lichtabgabe auch über geeignete Hilfsmittel wie zum Beispiel Spiegel oder Lichtleitfasern zur Zielposition geführt werden.
Das Licht der Lichtquellen kann direkt in den Fluidströmungskanal abgestrahlt werden oder durch eine Fokussieroptik geführt werden. Durch die Fokussieroptik kann das Licht fokussiert in den Fluidströmungskanal abgestrahlt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Durchmesser einer Lichtquelle weniger als das Zehnfache des Durchmessers des für die Partikeldetektionseinrichtung spezifizierten kleinsten erfassbaren Partikels beträgt. Der Durchmesser einer Lichtquelle kann auch weniger als das Fünffache oder das Doppelte des Durchmessers des für die Partikeldetektionseinrichtung spezifizierten kleinsten erfassbaren Partikels betragen. Der Durchmesser einer Lichtquelle kann kleiner oder gleich dem Durchmesser des für die Partikeldetektionseinrichtung spezifizierten kleinsten erfassbaren Partikels sein. Dies kann für einige oder alle Lichtquellen gelten. Dies hat den Vorteil, dass die Abmessungen der Lichtquellen in der Größenordnung der zu detektierenden Partikel sind. Ein sich vorbei bewegender Partikel schattet eine Lichtquelle dann vollkommen oder zumindest zu einem großen Anteil ab, wodurch die an den Lichtdetektorelementen empfangene Lichtintensität besonders stark variiert. Hierdurch entsteht ein besonders gutes Signal-/Rausch-Ver- hältnis. Der Durchmesser einer Lichtquelle kann z.B. im Mikro- oder Nanometerbereich liegen. Der Durchmesser einer Lichtquelle kann z.B. im Bereich von 50 Nanometer bis 200 pm, insbesondere 50 bis 500 Nanometer, liegen. Die Lichtquellen können zum Beispiel in Form eines Mikro- oder Nano-LED-Array bereitgestellt werden. Die einzelnen Lichtquellen können einzeln schaltbar sein. Ein solches LED-Array kann beispielsweise 256 einzelne Pixel (Lichtquellen) aufweisen, sodass eine entsprechende Anzahl an Messsignalen an den Lichtdetektorelementen detektiert werden kann. Durch die Verwendung solcher Mikro- oder Nano- LED-Technologie werden einerseits Nanopartikel erstmals in einem mobilen Aufbau detektierbar, zudem führt der Beleuchtungsmechanismus zu einer Steigerung der Messverlässlichkeit im Vergleich zu derzeit verfügbaren Messeinrichtungen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, anhand der verbleibenden Lichtintensität im durch den jeweiligen Partikel abgeschatteten Bereich des Lichtdetektors und/oder durch den Zeitgradienten der Lichtintensität die die Partikel kennzeichnende Messgröße zu bestimmen. Dies erlaubt eine zuverlässige Bestimmung der Partikelgrößen sowie deren Anzahl.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, anhand mehrerer sequentiell nacheinander durch den Partikel erzeugter Abschattungen des Lichts unterschiedlicher Lichtquellen die die Partikel kennzeichnende Messgröße zu bestimmen. Hierdurch kann die Qualität der Messergebnisse weiter verbessert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Partikeldetektionseinrichtung eine Steuereinheit zur Steuerung der Lichtabgabe der mehreren hintereinander angeordneten Lichtquellen aufweist, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, jeweils eine oder mehrere Lichtquellen nach vorbestimmten Mustern zur Lichtabgabe zu aktivieren. Auf diese Weise kann durch geschickte Wahl der Lichtmuster eine wesentliche Verbesserung der Partikeldetektion erreicht werden, beispielsweise durch Einschalten der Lichtquellen einzeln oder in Gruppen sequentiell hintereinander. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Lichtquellen in Durchströmrichtung des Fluids durch den Fluidströmungskanal während eines Messvorgangs sequentiell nacheinander zur Lichtabgabe zu aktivieren. Auf diese Weise kann ein dem durchströmenden Fluid im Fluidströmungskanal und damit den Partikeln räumlich folgendes Lichtmuster durch die Lichtquellen erzeugt werden. Auch hierdurch kann die Detektionsgenauigkeit der Partikel wesentlich verbessert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Geschwindigkeit des Lichtabgabemusters der Lichtquellen in Durchströmrichtung des Fluids durch den Fluidströmungskanal der Strömungsgeschwindigkeit entspricht.
Dies hat den Vorteil, dass ein und derselbe mit dem Fluid durch den Fluidströmungskanal durchströmender Partikel durch die hintereinander angeordneten Lichtquellen mehrfach mit Licht bestrahlt werden kann, sodass von demselben Partikel mehrfach Streulichtsignale erfasst werden können. Auch hierdurch kann die Detektionsgenauigkeit wesentlich verbessert werden.
Alternativ kann die Geschwindigkeit des Lichtabgabemusters der Lichtquellen in Durchströmrichtung des Fluids durch den Fluidströmungskanal der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids durch den Fluidströmungskanal nicht entsprechen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass an einer jeweiligen Längsposition des Fluidströmungskanals durch eine oder mehrere Lichtquellen ein im Wesentlichen senkrecht zur Durchströmrichtung des Fluids ausgerichteter Lichtvorhang im Fluidströmungskanal erzeugbar ist. Durch einen solchen Lichtvorhang kann eine Erfassung sämtlicher Partikel im Fluidströmungskanal durch die Lichtquellen sichergestellt werden. Hierdurch können die Messergebnisse besonders zuverlässig bestimmt werden, da die an den Lichtdetektorelementen detektier- ten Abschattungen besonders gut einzelnen Partikeln zugeordnet werden können. Eine Lichtquelle kann dabei zum Beispiel durch eine quer zum Fluidströmungskanal verlaufende längliche Lichtquelle oder mehrere nebeneinander angeordnete einzelne Lichtquellen, die gemeinsam einschaltbar sind, gebildet sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere an der Längsposition nebeneinander angeordnete Lichtquellen separat und/oder mit einem zeitlichen Versatz einschaltbar sind. Auf diese Weise kann die Lichtabstrahlung auch in einer Richtung senkrecht zur Durchströmrichtung des Fluids durch den Fluidströmungskanal moduliert werden, z.B. nach vorbestimmten Mustern. Die Lichtquellen können beispielsweise während eines Messvorgangs sequentiell nacheinander zur Lichtabgabe aktiviert werden. Auf diese Weise kann, wenn ein Partikel den Lichtvorhang passiert, auch detektiert werden, an welcher lateralen Position sich der Partikel befunden hat.
Die Lichtquellen können zum Beispiel als Mikro-LEDs auf Galliumnitridbasis realisiert werden. Eine Lichtquelle kann zusätzlich eine Kollimationsoptik aufweisen, um eine parallele Lichtabstrahlung in den Fluidströmungskanal sicherzustellen. Eine Kollimationsoptik kann dabei auch mehreren Lichtquellen zugeordnet sein, z.B. den jeweiligen Lichtquellen eines Lichtvorhangs.
Der Lichtdetektor kann zum Beispiel eine Vielzahl von Lichtdetektorelementen aufweisen, die in Form eines Array beziehungsweise in Matrixform angeordnet sein können. Beispielsweise kann der Lichtdetektor als Digitalkamera-Chip ausgebildet sein, zum Beispiel als CMOS-Kamerachip.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Partikeldetektionseinrichtung der zuvor erläuterten Art, bei dem die von den Partikeln des den Fluidströmungskanal durchströmenden Fluids am Lichtdetektor bewirkten Abschattungen des Lichts der Lichtquellen anhand der Signale der Lichtdetektorelemente detektiert werden und daraus die die Partikel kennzeichnende Messgröße bestimmt wird. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Dabei kann anhand der verbleibenden Lichtintensität im durch den jeweiligen Partikel abgeschatteten Bereich des Lichtdetektors und/oder durch den Zeitgradienten der Lichtintensität die die Partikel kennzeichnende Messgröße bestimmt werden. Es kann auch anhand mehrerer sequentiell nacheinander durch den Partikel erzeugter Abschattungen des Lichts unterschiedlicher Lichtquellen die die Partikel kennzeichnende Messgröße bestimmt werden. Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor erläuterten Art, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner der Partikeldetektionseinrichtung oder auf einer anderweitigen Anlage zur Datenverarbeitung ausgeführt wird. Der Rechner kann als handelsüblicher Computer ausgebildet sein, z.B. als PC, Laptop, Notebook, Tablet oder Smartphone, oder als Mikroprozessor, Mikrocontroller oder FPGA, oder als Kombination aus solchen Elementen. Der Rechner kann z.B. Teil der Auswerteeinrichtung sein.
Die Erfindung kann allgemein zur Detektion von Mikro- und Nanopartikeln in fluidischen Systemen verwendet werden - wobei das Fluid sowohl gasförmig als auch flüssig sein kann. Dadurch ergibt sich eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten. Als Beispiel für gasförmige Fluide kann die Messung des Nanopartikelausstoßes von Verbrennungsmotoren dienen, was derzeit ein sehr relevantes Thema in der Automobilindustrie ist. Als Beispiel für ein mit Nanopartikeln versetztes Fluid im flüssigen Zustand kann das Blut im menschlichen Körper dienen. Auch hier sind Nanopartikel sehr gefährlich und es besteht ein großes Interesse am Nachweis und der Messung, da Nanopartikel die Hirnschranke passieren können und so als Ursache für eine Vielzahl von Krankheiten vermutet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Verwendung der Zeichnung der Figur 1 näher erläutert. Die Figur 1 zeigt eine Partikeldetektionseinrichtung 1 , die eine optische Detektionseinheit mit einem Fluidströmungskanal 4, mehreren Lichtquellen 7 und einen Lichtdetektor 9 mit mehreren Lichtdetektorelementen aufweist. Die Partikeldetektionseinrichtung 1 kann zusätzlich einen Strömungserzeuger 6 aufweisen, beispielsweise eine Pumpe oder ein Lüfter, um einen Fluidstrom des Fluids durch den Fluidströmungskanal 4 zu erzwingen. Der Strömungserzeuger 6 kann beispielsweise am Eingang 5 oder Ausgang 8 des Fluidströmungskanals 4 angeordnet sein und das Fluid aus der Umgebung ansaugen. Das Fluid wird dann in einer Durchströmrichtung 3 durch den Fluidströmungskanal 4 geführt und an einem Auslass 8 wieder abgegeben. Die Lichtquellen 7 sind in Durchströmrichtung 3 hintereinander angeordnet, beispielsweise in gleichen oder ungleichen Abständen voneinander. Die Lichtquellen 7 können jeweils Licht 11 in den Fluidströmungskanal 4 abstrahlen, beispielsweise in Form von Lichtvorhängen. In dem durchströmenden Fluid befindlichen Partikel 2 schatten das Licht 11 gegenüber dem Lichtdetektor 9 ab. Die Lichtdetektorelemente des Lichtdetektors 9 nehmen solche Abschattungen von den Partikeln 2 in Form lokaler Lichtintensitätsverringerungen auf. Der Lichtdetektor 9 ist mit einer Auswerteeinrichtung 10 verbunden, die die von den Lichtdetektorelementen aufgenommenen Lichtintensitätsverringerungen auswertet und hieraus die die Partikel kennzeichnende Messgröße bestimmt, beispielsweise die Partikelanzahl pro Fluidmenge oder Zeiteinheit oder die Partikelgröße. Die Auswerteeinrichtung 10 kann hierfür einen Rechner aufweisen, der ein entsprechendes Verfahren ausführt, beispielsweise in Form eines Corn puterprogram ms.
Die Lichtquellen 7 können mit einer Steuereinheit verbunden sein. Mit der Steuereinheit kann die Lichtabgabe der Lichtquellen 7 gesteuert werden. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, jeweils eine oder mehrere Lichtquellen 7 nach vorbestimmten Mustern zur Lichtabgabe zu aktivieren. Die Steuereinheit kann hierzu einen Rechner aufweisen, der ein entsprechendes Verfahren ausführt, beispielsweise in Form eines Corn puterprogram ms.
Die Auswerteeinrichtung 10 kann mit der Steuereinheit gekoppelt sein oder als eine Einheit damit ausgebildet sein. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung 10 von der Steuereinheit Daten empfangen, die die jeweiligen von den Lichtquellen 7 abgegeben Lichtmuster charakterisieren. Mit Hilfe dieser Daten kann die Auswerteeinrichtung 10 die Detektionsgenauigkeit der Partikel 2 weiter verbessern. Ist die Auswerteeinrichtung 10 mit der Steuereinheit als eine Einheit ausgebildet, liegen diese Daten in der Einheit ohnehin vor.
Die Realisierung der Lichtquellen 7 kann z.B. durch Laser oder Leuchtdioden (LEDs) erfolgen, z.B. durch Mikro- oder Nano-LEDs. Für eine hohe optische Stabilität des Gesamtsystems sind LEDs besonders vorteilhaft. Daher sollen im folgenden LEDs als Beleuchtung beschrieben werden, wenngleich auch andere Optionen denkbar sind, sofern diese hinreichend reproduzierbares Licht emittieren. Der Partikel 2 strömt zunächst mit definierter Geschwindigkeit in die Messstrecke, d.h. den Fluidströmungskanal 4, ein, während zumindest die in Durchströmrichtung 3 erste Lichtquelle 7 eingeschaltet ist. Es können auch mehrere Lichtquellen 7 eingeschaltet sein. Beim Passieren des Lichts der ersten Lichtquelle 7 wird ein Teil des Lichts abgeschattet, was von den Lichtdetektorelementen aufgenommen und als Signal abgegeben wird. Da die Geschwindigkeit des Partikels 2 bekannt ist, kann die Beleuchtung durch die erste Lichtquelle 7 unmittelbar nach Durchlaufen ihres Lichts abgeschaltet werden. Der Partikel 2 bewegt sich Richtung der in Durchströmrichtung 3 zweiten Lichtquelle 7, die eingeschaltet wird, sodass der Partikel einen weiteren Lichtbereich passiert und erneut eine Abschattung von den Lichtdetektorelementen 9 aufgenommen wird. Nach Durchlaufen des zweiten Lichtbereichs wird dieser ausgeschaltet und der Vorgang wiederholt sich für weitere Messungen an den in Durch- strömrichtung 3 folgenden Lichtquellen 7. Aus den über die Lichtdetektorelemente aufgenommenen Lichtsignalen bestimmt die Auswerteeinrichtung 10 dann die die Partikel 2 kennzeichnende Messgröße und gibt sie über eine Schnittstelle 12 aus.
Durch die Verwendung von sehr kleinen LEDs als Lichtquellen, die sich auf einem Chip befinden und separat von der gleichen Steuereinheit angesteuert werden, ergeben sich folgende Eigenschaften und Vorteile:
- Der laterale Abstand der LEDs wird durch den Produktionsprozess der LEDs bestimmt und kann mit äußerst geringen Maßabweichungen im Bereich weniger Nanometer vom Sollmaß realisiert werden.
- Die einzelnen LEDs können mit einer Frequenz von 1 MHz oder mehr separat geschaltet werden. Die Lichtemission erfolgt praktisch verzögerungsfrei.
- Die Helligkeit der LEDs kann durch ein einfaches Prinzip gesteuert oder geregelt werden.
Die Einströmvolumen des aus der Umgebung angesaugten Fluids pro Zeiteinheit werden durch den Strömungserzeuger 6 eingestellt bzw. geregelt; der Fluidstrom wird also durch die Messstrecke 4 gesogen. Die Geschwindigkeit des Fluids in der Messstrecke beträgt z.B. 10 ... 10000 mm/s. Der mit den Lichtquellen 7 bestückte Abschnitt der Messstrecke besitzt z.B. eine Länge von 0,1 ... 30 mm. Sowohl die Einlauf- als auch die Auslauflänge des Fluidkanals 4 können mehrere Zentimeter betragen, um eine laminare Strömung zu erreichen.
Die Lichtquellen 7 können derart beschaffen sein, dass sie eine Wellenlänge z.B. im Bereich zwischen 150... 2500 nm emittieren; vorzugsweise kann sichtbares Licht zwischen 350 ... 800 nm verwendet werden. Die Anordnung der Lichtquellen 7 kann unterschiedliche Geometrien aufweisen. Möglich ist die quadratische Anordnung quadratischer Lichtquellen 7, z.B. pLEDs, aber auch eine Formation von Lichtquellen 7 mit länglicher Ausdehnung zur Erzeugung von „Lichtvorhängen“ (im Vgl. zu Lichtpunkten); es können jedoch auch andere Anordnungen gewählt werden. Die Größe der quadratischen Lichtquellen beträgt z.B. zwischen 0,1 ... 200 pm; die Lichtvorhänge können eine ähnliche Breite in Durchströmrichtung 3 haben, wobei die Länge bis zu 5 mm betragen kann. In Durchströmrichtung 3 des Fluids beträgt die Länge der optischen Messstrecke z.B. 10 ... 1500 pm, je nach Anzahl der verwendeten Lichtvorhänge bzw. Lichtquellen. Die Anzahl der Lichtvorhänge bzw. Lichtquellen kann von der Beschaffenheit der zu detektierenden Partikel, deren Größe, deren Strömungsgeschwindigkeit sowie deren Geometrie beeinflusst werden. Die Lichtquellen können so beschaffen sein, dass je nach Beleuchtungszustand eine Intensität von ca. 1 ... 10000 kW/m2 vorliegt. Diese Intensitäten sind erforderlich, um auswertbare Signale auf dem Lichtdetektor 9 zu erhalten. Der Lichtdetektor 9 kann monochromatisch ausgeführt sein. Der Lichtdetektor 9 und die Lichtquellen 7 können senkrecht zu einer Bezugsebene orientiert sein. Der Lichtdetektor 9 und die Lichtquellen 7 können zumindest überwiegend parallel zueinander angeordnet sein. Die Durchströmrichtung 3 verläuft vorzugsweise orthogonal zur Richtung der Bezugsebene und orthogonal zur Lichtemissionsrichtung der Lichtquellen 7.

Claims

Patentansprüche:
1. Partikeldetektionseinrichtung (1 ) zur Erfassung von Partikeln (2) innerhalb eines Fluids, aufweisend eine optische Detektionseinheit mit wenigstens einem Fluidströmungskanal (4), wenigstens einer Lichtquelle (7) und wenigstens einem Lichtdetektor (9), und mit einer Auswerteinrichtung (10), die dazu eingerichtet ist, eine die Partikel kennzeichnende Messgröße zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit mehrere in Durchströmrichtung (3) des Fluids durch den Fluidströmungskanal (4) hintereinander und nebeneinander angeordnete einzelne Lichtquellen (7) aufweist, durch die Licht in den Fluidströmungskanal (4) abstrahlbar ist, wobei der Lichtdetektor (9) mehrere das Licht der Lichtquellen (7) aus dem Fluidströmungskanal (4) aufnehmende Lichtdetektorelemente aufweist, wobei die Auswerteeinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die von den Partikeln (2) des den Fluidströmungskanal (4) durchströmenden Fluids am Lichtdetektor (9) bewirkten Abschattungen des Lichts (11 ) der Lichtquellen (7) anhand der Signale der Lichtdetektorelemente zu detektieren und daraus die die Partikel (2) kennzeichnende Messgröße zu bestimmen.
2. Partikeldetektionseinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser einer Lichtquelle (7) weniger als das Zehnfache des Durchmessers des für die Partikeldetektionseinrichtung (1 ) spezifizierten kleinsten erfassbaren Partikels beträgt.
3. Partikeldetektionseinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, anhand der verbleibenden Lichtintensität im durch den jeweiligen Partikel abgeschatteten Bereich des Lichtdetektors (9) und/oder durch den Zeitgradienten der Lichtintensität die die Partikel (2) kennzeichnende Messgröße zu bestimmen. Partikeldetektionseinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, anhand mehrerer sequentiell nacheinander durch den Partikel erzeugter Abschattungen des Lichts unterschiedlicher Lichtquellen (7) die die Partikel (2) kennzeichnende Messgröße zu bestimmen. Partikeldetektionseinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer jeweiligen Längsposition des Fluidströmungskanals (4) durch eine oder mehrere Lichtquellen (7) ein im Wesentlichen senkrecht zur Durchströmrichtung (3) des Fluids ausgerichteter Lichtvorhang im Fluidströmungskanal (4) erzeugbar ist. Partikeldetektionseinrichtung (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Lichtvorhangs an der Längsposition des Fluidströmungskanals (4) eine längliche Lichtquelle (7) oder mehrere an der Längsposition nebeneinander angeordnete Lichtquellen (7) vorhanden sind. Partikeldetektionseinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikeldetektionseinrichtung (1 ) mehrere Lichtquellen (7) hat, wobei die Lichtquellen (7) zumindest überwiegend parallel zum Lichtdetektor (9) angeordnet sind. Verfahren zum Betreiben einer Partikeldetektionseinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Partikeln (2) des den Fluidströmungskanal (4) durchströmenden Fluids am Lichtdetektor (9) bewirkten Abschattungen des Lichts (11 ) der Lichtquellen (7) anhand der Signale der Lichtdetektorelemente detektiert werden und daraus die die Partikel (2) kennzeichnende Messgröße bestimmt wird. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 8, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner der Partikeldetektionseinrichtung (1 ) oder auf einer anderweitigen Anlage zur Datenverarbeitung ausgeführt wird.
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