WO2022053230A1 - Optical soot particle sensor - Google Patents

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WO2022053230A1
WO2022053230A1 PCT/EP2021/071645 EP2021071645W WO2022053230A1 WO 2022053230 A1 WO2022053230 A1 WO 2022053230A1 EP 2021071645 W EP2021071645 W EP 2021071645W WO 2022053230 A1 WO2022053230 A1 WO 2022053230A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser
particle sensor
soot particle
spot
optical element
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/071645
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Fabian Purkl
Tobias Graf
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2022053230A1 publication Critical patent/WO2022053230A1/en

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205Investigating particle size or size distribution by optical means

Definitions

  • a soot particle sensor with a laser module having a laser and with a detector set up for the detection of thermal radiation which has an optical element arranged in the beam path of the laser of the laser module, which is set up for this purpose to focus the laser light emitted by the laser module into a spot.
  • soot particles that pass through the spot are heated to such an extent that they become a source of radiation, which the detector then detects and generates a corresponding signal.
  • the present invention is based on the finding of the inventors that the intensity distribution I of the laser light in the spot in the plane perpendicular to the direction of propagation of the laser light, i.e. the beam profile within the meaning of the invention, is of important importance for the question of the extent to which soot particles are safe with the sensor can be clearly detected in terms of size.
  • Inhomogeneous beam profiles such as Gaussian profiles with the intensity distribution Icauß ⁇ exp - (r/wo) 2 , which is radially symmetrical to the propagation direction, where where is the beam valley radius, have the disadvantage that the signal evaluated by the detector when a particle passes through the spot is ambiguous.
  • a relatively large particle e.g. with diameters > 100 nm
  • traversing the laser spot in an area with submaximal laser intensity e.g. further out in the Gaussian profile (e.g. r > wo)
  • a detected signal indistinguishable from a detected signal resulting from a smaller particle crossing the spot in a region of maximum laser intensity, e.g.
  • Inhomogeneities in the intensity distribution of the laser light in the spot mean that it is not possible to clearly determine the particle size based on the detected signals.
  • a mathematically idealized intensity distribution perpendicular to the direction of propagation of the laser light which assumes its maximum value everywhere in an inner region and assumes the value zero everywhere outside the region, is interpreted as a tophat beam profile.
  • real intensity distributions which have a high but finite edge steepness at the edge of the area and/or have small but non-zero intensity fluctuations inside and/or outside the area are also used as a top hat beam profile construed according to the relevant understanding of the person skilled in the art.
  • optical elements that are provided according to the invention in order to focus the laser beam into a spot and to shape it into a tophat beam profile in the spot can include conventional optical elements, such as spherical lenses or Fraunhofer elements and/or spherical or plane mirrors. These are, in particular, optical elements that image a laser beam, which always has a Gaussian profile, into a laser beam, which always has a Gaussian profile.
  • these optical elements include in particular at least one optical element that changes the beam profile, for example a Gaussian beam (laser beam that always has a Gaussian profile) into a tophat beam (laser beam whose spot is perpendicular to the direction of propagation of the laser beam having tophat beam profile).
  • optical elements diffractive optical elements (DOE), refractive beam shapers, diffractive beam shapers, beam-shaping diffusers, Fresnel elements.
  • DOE diffractive optical elements
  • refractive beam shapers refractive beam shapers
  • diffractive beam shapers diffractive beam shapers
  • beam-shaping diffusers beam-shaping diffusers
  • Fresnel elements Such optical elements and their use in connection with laser radiation are known in principle to those skilled in the art.
  • a dichroic beam splitter is arranged in the beam path between the laser module and the spot.
  • the optical element, which changes the beam profile of the laser beam is arranged between the laser module and the dichroic beam splitter.
  • FIG. 2 shows a basic structure of a soot particle sensor based on laser-induced incandescence
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of a soot particle sensor according to the invention
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of a soot particle sensor according to the invention
  • FIG. 6 shows a third exemplary embodiment of a soot particle sensor according to the invention.
  • FIG. 7 shows a fourth exemplary embodiment of a soot particle sensor according to the invention.
  • FIG. 8 shows a fifth exemplary embodiment of a soot particle sensor according to the invention.
  • FIG. 1 basically illustrates the measuring principle based on laser-induced incandescence (Lil).
  • High-intensity laser light 10 strikes a soot particle 12.
  • the intensity of the laser light 10 is so high that the energy of the laser light 10 absorbed by the soot particle 12 heats the soot particle 12 to several thousand degrees Celsius.
  • the soot particle 12 spontaneously and essentially without a preferred direction emits significant radiation 14 in the form of thermal radiation, also referred to below as LI I light. Part of the radiation 14 emitted in the form of temperature radiation is therefore also emitted in the opposite direction to the incident laser light 10 .
  • FIG. 2 shows a schematic of a basic structure of an exemplary embodiment of a soot particle sensor 16.
  • the soot particle sensor 16 here has a CW laser module 18 (CW: continuous wave; continuous wave), which is preferred collimated (hereinafter also: parallel) laser light 10 is focused onto a very small spot 22 with at least one optical element 20 arranged in the beam path of the CW laser module 18 .
  • the optical element 20 is preferably a first lens 24. Only in the volume of the spot 22 does the intensity of the laser light 10 reach the high values required for LH.
  • the dimensions of the spot 22 are in the range of a few ⁇ m, in particular in the range of at most 200 ⁇ m, so that the soot particles 12 traversing the spot 22 are excited to emit evaluable radiation powers, either through laser-induced incandescence or through chemical reactions (particularly oxidation).
  • the measurement signal is generated by a detector 26 which is arranged in the soot particle sensor 16 in such a way that it detects radiation 14 emanating from the soot particle 12 flying through the spot 22 , in particular thermal radiation.
  • the detector 26 preferably has at least one photodiode 26.1.
  • the laser of the laser module 18 is modulated or switched on and off (duty cycle ⁇ 100%).
  • the laser of the laser module 18 is a CW laser. This enables the use of inexpensive semiconductor laser elements (laser diodes), which makes the entire soot particle sensor cheaper and greatly simplifies the control of the laser module 18 and the evaluation of the measurement signal.
  • the use of pulsed lasers is not ruled out.
  • FIG. 3 shows a soot particle sensor 16 which is suitable for use as a soot particle sensor in the exhaust gas of a combustion process.
  • the soot particle 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 generally cylindrical or prismatic shape.
  • the bases of the cylinder shapes are preferably circular, elliptical or polygonal.
  • the cylinders are preferably arranged coaxially with the axes of the cylinders aligned transverse to the flow of exhaust gas 32 .
  • the inner protective tube 30 protrudes in Direction of the axes beyond the outer protective tube 28 also into the flowing exhaust gas 32 inside.
  • 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 between the two protective tubes 28, 30 there is a first flow cross section.
  • the clear width of the inner protective tube 30 forms a second flow cross section.
  • exhaust gas 32 enters the arrangement of the two protective tubes 28, 30 via the first flow cross-section, then changes direction at the end of the protective tubes 28, 30 facing away from the exhaust gas 32, enters the inner protective tube 30 and exits it is sucked out by the exhaust gas 32 flowing past.
  • a laminar flow results in the inner protective tube 30 .
  • This arrangement of protective tubes 28, 30 is attached to the soot particle sensor 16 transversely to the flow of exhaust gas or in an exhaust pipe.
  • the soot particle sensor 16 also has the laser module 18 which preferably generates parallel laser light 10 .
  • a beam splitter 34 is located in the beam path of the preferably parallel laser light 10 .
  • the light intensity in this spot 22 is high enough to heat the soot particles 12 transported with the exhaust gas 32 to several thousand degrees Celsius, so that the heated soot particles 12 emit significant radiation 14 in the form of thermal radiation.
  • the radiation 14 is, for example, in the near-infrared and visible spectral range, without the invention being restricted to radiation 14 from this spectral range. Part of this radiation 14 emitted in an undirected manner in the form of temperature radiation, or this LII light, is detected by the optical element 20 and directed onto the detector 26 via the beam splitter 34 .
  • This structure has the particularly important advantage that only one optical access to the exhaust gas 32 is required, since the same optics, in particular the same optical element 20, are used for generating the spot 22 and for detecting the radiation 14 emanating from the soot particle 12.
  • the exhaust 32 is an example of one measuring gas.
  • the measuring gas can also be another gas or gas mixture, for example room air.
  • the laser module 18 has a laser diode 36 and a second lens 38, which preferably aligns the laser light 10 emitted by the laser diode 36 in parallel.
  • the use of the laser diode 36 represents a particularly cost-effective and easy-to-handle option for generating laser light 10.
  • the preferably parallel laser light 10 is focused by the optical element 20 to form the spot 22.
  • the optical soot particle sensor 16 preferably has a first part 16.1 that is exposed to the exhaust gas and a second part 16.2 that is not exposed to the exhaust gas and contains the optical components of the soot particle sensor 16. Both parts are separated by a partition 16.3, which runs between the protective tubes 28, 30 and the optical elements of the soot particle sensor.
  • the wall 16.3 serves to insulate the sensitive optical elements from the hot, chemically aggressive exhaust gas 32.
  • a protective window 40 is mounted in the beam path of the laser light 10, through which the laser light 10 impinges into the exhaust gas 32 and via the Radiation 14 emanating from the spot 22 can impinge on the optical element 20 and from there on the detector 26 via the beam splitter 34 .
  • the spot 22 can also be generated and the radiation 14 emitted by soot particles in the spot can also be detected via separate optical beam paths.
  • soot particle sensor 16 can also be implemented with laser light sources other than the laser diodes 36 specified here for exemplary embodiments.
  • a filter 42 which is arranged in the beam path between the beam splitter 34 and the detector 26, is provided.
  • the filter 42 is characterized in that it is less permeable for the laser light 10 than for the radiation 14 which emanates from the spot 22 when there is a soot particle 12 there.
  • the filter 42 that filters out the excitation light (laser light) in conjunction with the almost complete absence of extraneous/ambient light in the exhaust line allows the use of particularly sensitive detectors 26, e.g. inexpensive SiPM (silicon photomultiplier) or SPAD detectors (SPAD: single-photon avalanche diode).
  • soot particle As a result, a light signal generated by a particularly small soot particle and therefore extremely small, which is formed by a few 10 photons, for example, can already be detected. This reduces the dimensions of soot particles, which can just about be detected, to a lower detection limit of 10 to 100 nm.
  • FIGS. 4 to 8 specific embodiments of the invention are shown in FIGS. 4 to 8, wherein reference is made to the structure shown in FIG.
  • optical elements 20a, 20b arranged in the laser beam 17 are provided for bundling the laser beam 17 into a spot 22 with a tophat beam profile in the working plane 15.
  • at least one optical element 20b is included, which changes the beam profile of the laser beam 17 accordingly.
  • the invention does not fundamentally rule out the alternative of using a laser module 18 which itself emits a laser beam 17 with the desired top-hat beam profile.
  • optical elements 20a, 20b can be used, through the imaging of which this property is merely retained, for example spherical lenses or Fraunhofer elements and/or spherical and/or plane mirrors and the like.
  • FIGS. 4 to 8 also have in common that the beam splitter 34 already shown in FIG.
  • the radiation 14 emitted by the soot particles 12 traversing the spot 22 traverses the dichroic beam splitter 34 in transmission, however, almost completely and arrives - focused through the further lens 25 - on the detector 26.
  • the optical element 20b which changes the beam profile of the laser beam 17, is arranged between the laser module 18 and the dichroic beam splitter 34. It is a diffractive optical element.
  • the optical element 20b which changes the beam profile of the laser beam 17, is arranged between the dichroic beam splitter 34 and the spot 22. It is a diffractive optical element. Alternatively, a refractive beam shaper could also be provided instead of the diffractive optical element.
  • the optical element 20b which changes the beam profile of the laser beam 17, is also arranged between the dichroic beam splitter 34 and the spot 22.
  • it is a diffractive optical element in the form of a Fresnel element which, in addition to beam shaping, also effects beam bundling to form a spot 22 .
  • a separate first lens comparable to the lens 24 in FIGS. 3, 4 or FIG. 5, can therefore be dispensed with in this example.
  • the optical element 20b which changes the beam profile of the laser beam 17, is arranged between the spot 22 and the dichroic beam splitter 34.
  • FIG. It is a diffractive optical element consisting of a hybrid Frensnel-Fraunhofer element.
  • the optical element 20b which changes the beam profile of the laser beam 17, is arranged between the spot 22 and the dichroic beam splitter 34.
  • FIG. It is a refractive beam shaper.
  • each of the optical elements 20b shown in the examples can be arranged at any position at which an optical element is arranged in one example.
  • the provision of a plurality of optical elements 20b is also possible in this way.
  • Soot particles 12 with a known diameter were detected with a soot particle sensor according to the invention (see Figure 9a) and with a conventional soot particle sensor, comparable to the soot particle sensor shown in Figure 3, whose beam profile in spot 22 has the form of a Gaussian distribution (see Figure 9b).
  • the peak height of the signal obtained with the detector 26 is shown in FIGS. 9a and 9b in arbitrary units as a function of the particle diameter in nm.
  • each measured value is shown by an unfilled circle.
  • the diameter of the signaling soot particle 12 can be deduced precisely and unambiguously from the measured signal, while this is not the case with the previously known sensor (FIG. 9b) or only to a very limited extent.

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Abstract

The invention relates to a soot particle sensor (16) having a laser module (18) which emits a laser beam, wherein the soot particle sensor (16) has optical elements (20) which are arranged in the laser beam for focussing the laser beam into one spot (22) with a top-hat beam profile, and having a detector (26) which is designed to detect temperature radiation (14) and is arranged in the soot particle sensor (16) such that it can detect radiation (14) emitted by soot particles crossing the spot. The soot particle sensor (16) can be used to clearly determine the size of detected soot particles.

Description

Beschreibung description
Titel title
Optischer Rußpartikelsensor Optical soot particle sensor
Stand der Technik State of the art
Aus dem Stand der Technik, der WO18202433 A1 der Anmelderin, ist bereits ein Rußpartikelsensor mit einem einen Laser aufweisenden Lasermodul und mit einem zur Detektion von Temperaturstrahlung eingerichteten Detektor bekannt, welcher ein im Strahlengang des Lasers des Lasermoduls angeordnetes optisches Element aufweist, das dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul ausgehendes Laserlicht in einen Spot zu bündeln. Hierdurch werden Rußpartikel, die den Spot durchqueren, so stark erhitzt, dass sie Quelle einer Strahlung werden, die der Detektor nachfolgend detektiert und ein entsprechendes Signal generiert. From the prior art, WO18202433 A1 of the applicant, a soot particle sensor with a laser module having a laser and with a detector set up for the detection of thermal radiation is already known, which has an optical element arranged in the beam path of the laser of the laser module, which is set up for this purpose to focus the laser light emitted by the laser module into a spot. As a result, soot particles that pass through the spot are heated to such an extent that they become a source of radiation, which the detector then detects and generates a corresponding signal.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis der Erfinder, dass der Intensitätsverteilung I des Laserlichts in dem Spot in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts, also dem Strahlprofil im Sinne der Erfindung, eine wichtige Bedeutung für die Frage zukommt, inwiefern mit dem Sensor Rußpartikel sicher eindeutig größenaufgelöst detektiert werden können. The present invention is based on the finding of the inventors that the intensity distribution I of the laser light in the spot in the plane perpendicular to the direction of propagation of the laser light, i.e. the beam profile within the meaning of the invention, is of important importance for the question of the extent to which soot particles are safe with the sensor can be clearly detected in terms of size.
Inhomogene Strahlprofile, wie beispielsweise Gaußprofile mit der zur Ausbreitungsrichtung radialsymmetrischen Intensitätsverteilung Icauß ~ exp - (r/wo)2, wobei wo der Strahltallienradius ist, haben den Nachteil, dass das bei Durchgang eines Partikels durch den Spot mit dem Detektor ausgewertete Signal mehrdeutig ist. Beispielsweise erzeugt ein relativ großer Partikel (z.B. mit Durchmessern > 100 nm), der den Laserspot in einem Gebiet mit submaximaler Laserintensität durchquert, beispielsweise weiter außen im Gaußprofil (z.B. r > wo), ein detektiertes Signal, das sich von einem detektierten Signal, das daraus resultiert, dass ein kleinerer Partikel den Spot in einem Bereich maximaler Laserintensität, beispielsweise im Zentrum des Gaußprofils (z.B. r=0 oder r < wo), durchquert, nicht unterscheiden lässt, denn der kleine Partikel heizt sich auf eine höhere Temperatur auf als der große Partikel und emittiert dann trotz des Größenunterschiedes aus Sicht des Detektors die gleiche Strahlungsmenge wie der große Partikel. Gerade hierin besteht die Mehrdeutigkeit, der mit den aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren generierten Signale. Inhomogeneous beam profiles, such as Gaussian profiles with the intensity distribution Icauß ~ exp - (r/wo) 2 , which is radially symmetrical to the propagation direction, where where is the beam valley radius, have the disadvantage that the signal evaluated by the detector when a particle passes through the spot is ambiguous. For example, a relatively large particle (e.g. with diameters > 100 nm) traversing the laser spot in an area with submaximal laser intensity, e.g. further out in the Gaussian profile (e.g. r > wo), a detected signal indistinguishable from a detected signal resulting from a smaller particle crossing the spot in a region of maximum laser intensity, e.g. in the center of the Gaussian profile (e.g. r=0 or r<wo). because the small particle heats up to a higher temperature than the large particle and then emits the same amount of radiation as the large particle from the point of view of the detector, despite the difference in size. This is precisely where the ambiguity of the signals generated with the sensors known from the prior art lies.
Inhomogenitäten der Intensitätsverteilung des Laserlichts im Spot, beispielsweise die Flanken der gaußförmigen Intensitätsverteilung, führen also dazu, dass eine Bestimmung der Partikelgröße anhand der detektierten Signale nicht eindeutig möglich ist. Inhomogeneities in the intensity distribution of the laser light in the spot, for example the flanks of the Gaussian intensity distribution, mean that it is not possible to clearly determine the particle size based on the detected signals.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Laserlicht durch entsprechende optische Elemente so geformt ist, dass es in dem Spot ein Tophat-Strahlprofil aufweist, also dort eine Intensitätsverteilung lTophat aufweist, die beispielsweise innerhalb eines Kreises mit dem Radius wo einen konstanten Wert aufweist und außenhalb davon die Intensität Null aufweist: lTophat ~ rect(r/wo) mit rect(R) = 1 für R < 1 , und rect(R) = 0 sonst. According to the invention, it is provided that the laser light is shaped by appropriate optical elements in such a way that it has a tophat beam profile in the spot, i.e. there has an intensity distribution l tophat that has a constant value, for example, inside a circle with the radius where and outside of which has zero intensity: l To phat ~ rect(r/wo) with rect(R) = 1 for R < 1 , and rect(R) = 0 otherwise.
Das hat den Vorteil, dass diejenigen Partikel, die den Spot durchqueren, ausnahmslos der maximal im Spot auftretenden Laserintensität ausgesetzt sind. Sie werden so auf eine definierte Temperatur erhitzt und leuchten folglich mit einer Intensität, die nur von ihrer Größe abhängig ist. Die Größe des Partikels kann also mit der vorliegenden Erfindung eindeutig aus dem an dem Detektor erzeugten Signal erschlossen werden. This has the advantage that those particles that pass through the spot are without exception exposed to the maximum laser intensity occurring in the spot. They are thus heated to a defined temperature and consequently glow with an intensity that is only dependent on their size. With the present invention, the size of the particle can thus be unequivocally deduced from the signal generated at the detector.
Im Rahmen der Erfindung wird eine mathematisch-idealisierte Intensitätsverteilung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts, die in einem inneren Gebiet überall ihren Maximalwert annimmt und außerhalb des Gebiets überall den Wert Null annimmt, als Tophat-Strahlprofil aufgefasst. Es werden im Rahmen der Erfindung aber auch reale Intensitätsverteilungen, die am Rande des Gebiets eine hohe aber doch endliche Flankensteilheit aufweisen, und/oder innerhalb und/oder außerhalb des Gebiets geringe aber von Null verschiedene Intensitätsschwankungen aufweisen, als Tophat- Strahlprofil aufgefasst, entsprechend dem diesbezüglichen Verständnis des Fachmanns. In the context of the invention, a mathematically idealized intensity distribution perpendicular to the direction of propagation of the laser light, which assumes its maximum value everywhere in an inner region and assumes the value zero everywhere outside the region, is interpreted as a tophat beam profile. Within the scope of the invention, however, real intensity distributions which have a high but finite edge steepness at the edge of the area and/or have small but non-zero intensity fluctuations inside and/or outside the area are also used as a top hat beam profile construed according to the relevant understanding of the person skilled in the art.
Die optischen Elemente, die erfindungsgemäß vorgesehen sind, um den Laserstrahl in einen Spot zu bündeln und in dem Spot zu einem Tophat- Strahlprofil zu formen, können gewöhnliche optische Elemente umfassen, wie beispielsweise sphärische Linsen bzw. Fraunhofer -Elemente und/oder sphärische bzw. plane Spiegel. Das sind insbesondere optische Elemente, die einen Laserstrahl, der stets ein gaußförmiges Profil aufweist, in einen Laserstrahl, der stets ein gaußförmiges Profil aufweist, abbilden. The optical elements that are provided according to the invention in order to focus the laser beam into a spot and to shape it into a tophat beam profile in the spot can include conventional optical elements, such as spherical lenses or Fraunhofer elements and/or spherical or plane mirrors. These are, in particular, optical elements that image a laser beam, which always has a Gaussian profile, into a laser beam, which always has a Gaussian profile.
Darüber hinaus umfassen diese optischen Elemente aber insbesondere mindestens ein optisches Element, das das Strahlprofil ändert, also beispielsweise einen Gaußstrahl (Laserstrahl, der stets ein gaußförmiges Profil aufweist) in einen Tophat-Strahl (Laserstrahl, der in seinem Spot senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls ein Tophat-Strahlprofil aufweist) abbildet. Das sind insbesondere folgende optische Elemente: Diffraktive optische Elemente (DOE), refraktive Strahlformer (engl: refractive beam shaper), diffraktive Strahlformer, strahlformende Diffuser, Fresnel-Elemente. Derartige optische Elemente und ihre Verwendung im Zusammenhang mit Laserstrahlung sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. In addition, these optical elements include in particular at least one optical element that changes the beam profile, for example a Gaussian beam (laser beam that always has a Gaussian profile) into a tophat beam (laser beam whose spot is perpendicular to the direction of propagation of the laser beam having tophat beam profile). These are in particular the following optical elements: diffractive optical elements (DOE), refractive beam shapers, diffractive beam shapers, beam-shaping diffusers, Fresnel elements. Such optical elements and their use in connection with laser radiation are known in principle to those skilled in the art.
Es kann zur kompakten Realisierung des Sensors vorgesehen sein, dass im Strahlengang zwischen dem Lasermodul und dem Spot ein dichroitischer Strahlteiler angeordnet ist. In diesem Fall kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das optische Element, das das Strahlprofil des Laserstrahls ändert, zwischen dem Lasermodul und dem dichroitischen Strahlteiler angeordnet ist. Der Vorteil besteht insbesondere darin, dass die von den Partikeln emittierte Strahlung durch den Strahlteiler zu dem Detektor gelangen kann, ohne das optische Element, das das Strahlprofil des Laserstrahls ändert, passieren zu müssen. For the compact implementation of the sensor, it can be provided that a dichroic beam splitter is arranged in the beam path between the laser module and the spot. In this case, it can advantageously be provided that the optical element, which changes the beam profile of the laser beam, is arranged between the laser module and the dichroic beam splitter. The particular advantage is that the radiation emitted by the particles can reach the detector through the beam splitter without having to pass through the optical element that changes the beam profile of the laser beam.
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: Fig. 1 ein auf der Laser Induzierten Inkandeszenz basierendes Messprinzip, das bei der Erfindung verwendet wird; Embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description. The same reference symbols in different figures denote the same elements or elements that are at least comparable in terms of their function. They show, each in schematic form: 1 shows a measurement principle based on laser-induced incandescence, which is used in the invention;
Fig. 2 einen prinzipiellen Aufbau eines auf der Laser Induzierten Inkandeszenz basierenden Rußpartikelsensor; 2 shows a basic structure of a soot particle sensor based on laser-induced incandescence;
Fig. 3 einen auf der Laser Induzierten Inkandeszenz basierenden Rußpartikelsensor; 3 shows a soot particle sensor based on laser-induced incandescence;
Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors; 4 shows a first exemplary embodiment of a soot particle sensor according to the invention;
Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors; 5 shows a second exemplary embodiment of a soot particle sensor according to the invention;
Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors; 6 shows a third exemplary embodiment of a soot particle sensor according to the invention;
Fig. 7 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors; 7 shows a fourth exemplary embodiment of a soot particle sensor according to the invention;
Fig. 8 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors; 8 shows a fifth exemplary embodiment of a soot particle sensor according to the invention;
Fig. 9 Durch Simulation gewonnene Messdaten eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors (a) und eines herkömmlichen Rußpartikelsensors (b). 9 Measurement data obtained by simulation of a soot particle sensor according to the invention (a) and a conventional soot particle sensor (b).
Figur 1 veranschaulicht grundsätzlich das auf der Laser Induzierten Inkandeszenz (Lil) basierende Messprinzip. Laserlicht 10 hoher Intensität trifft auf ein Rußpartikel 12. Die Intensität des Laserlichts 10 ist so hoch, dass die vom Rußpartikel 12 absorbierte Energie des Laserlichtes 10 das Rußpartikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt. Als Folge der Erhitzung emittiert das Rußpartikel 12 spontan und im Wesentlichen ohne Vorzugsrichtung signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung, im Folgenden auch als LI I-Licht bezeichnet. Ein Teil der in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 wird daher auch entgegengesetzt zur Richtung des einfallenden Laserlichtes 10 emittiert. FIG. 1 basically illustrates the measuring principle based on laser-induced incandescence (Lil). High-intensity laser light 10 strikes a soot particle 12. The intensity of the laser light 10 is so high that the energy of the laser light 10 absorbed by the soot particle 12 heats the soot particle 12 to several thousand degrees Celsius. As a result of the heating, the soot particle 12 spontaneously and essentially without a preferred direction emits significant radiation 14 in the form of thermal radiation, also referred to below as LI I light. Part of the radiation 14 emitted in the form of temperature radiation is therefore also emitted in the opposite direction to the incident laser light 10 .
Figur 2 zeigt schematisch einen prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines Rußpartikelsensors 16. Der Rußpartikelsensor 16 weist hier ein CW- Lasermodul 18 (CW: continuous wave; Dauerstrich) auf, dessen bevorzugt kollimiertes (nachfolgend auch: paralleles) Laserlicht 10 mit wenigstens einem im Strahlengang des CW-Lasermoduls 18 angeordneten optischen Element 20 auf einen sehr kleinen Spot 22 fokussiert wird. Das optische Element 20 ist bevorzugt eine erste Linse 24. Nur im Volumen des Spots 22 erreicht die Intensität des Laserlichts 10 die für LH notwendigen hohen Werte. FIG. 2 shows a schematic of a basic structure of an exemplary embodiment of a soot particle sensor 16. The soot particle sensor 16 here has a CW laser module 18 (CW: continuous wave; continuous wave), which is preferred collimated (hereinafter also: parallel) laser light 10 is focused onto a very small spot 22 with at least one optical element 20 arranged in the beam path of the CW laser module 18 . The optical element 20 is preferably a first lens 24. Only in the volume of the spot 22 does the intensity of the laser light 10 reach the high values required for LH.
Die Abmessungen des Spots 22 liegen im Bereich einiger pm, insbesondere im Bereich von höchstens 200 pm, sodass den Spot 22 durchquerende Rußpartikel 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 Rußpartikel 12 in dem Spot 22 befindet und dass ein momentanes Messsignal des Rußpartikelsensors 16 nur von diesem höchstens einen Rußpartikel 12 stammt. Das Messsignal wird von einem Detektor 26 erzeugt, der im Rußpartikelsensor 16 so angeordnet ist, dass er vom den Spot 22 durchfliegenden Rußpartikel 12 ausgehende Strahlung 14, insbesondere Temperaturstrahlung detektiert. Der Detektor 26 weist dazu bevorzugt wenigstens eine Fotodiode 26.1 auf. The dimensions of the spot 22 are in the range of a few μm, in particular in the range of at most 200 μm, so that the soot particles 12 traversing the spot 22 are excited to emit evaluable radiation powers, either through laser-induced incandescence or through chemical reactions (particularly oxidation). As a result, it can be assumed that there is always at most one soot particle 12 in spot 22 and that an instantaneous measurement signal from soot particle sensor 16 only originates from at most one soot particle 12 . The measurement signal is generated by a detector 26 which is arranged in the soot particle sensor 16 in such a way that it detects radiation 14 emanating from the soot particle 12 flying through the spot 22 , in particular thermal radiation. For this purpose, the detector 26 preferably has at least one photodiode 26.1.
Es ist durchaus möglich, dass der Laser des Lasermoduls 18 moduliert bzw. an- und ausgeschaltet wird (duty cycle < 100%). Bevorzugt bleibt jedoch, dass der Laser des Lasermoduls 18 ein CW-Laser ist. Dies ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Halbleiter-Laser-Elementen (Laser-Dioden), was den kompletten Rußpartikelsensor verbilligt und die Ansteuerung des Lasermoduls 18 und die Auswertung des Messsignals stark vereinfacht. Die Verwendung gepulster Laser ist aber nicht ausgeschlossen. It is quite possible that the laser of the laser module 18 is modulated or switched on and off (duty cycle <100%). However, it remains preferred that the laser of the laser module 18 is a CW laser. This enables the use of inexpensive semiconductor laser elements (laser diodes), which makes the entire soot particle sensor cheaper and greatly simplifies the control of the laser module 18 and the evaluation of the measurement signal. However, the use of pulsed lasers is not ruled out.
Figur 3 zeigt einen Rußpartikelsensors 16, der sich für den Einsatz als Rußpartikelsensor im Abgas eines Verbrennungsprozesses eignet. FIG. 3 shows a soot particle sensor 16 which is suitable for use as a soot particle sensor in the exhaust gas of a combustion process.
Der Rußpartikelsensor 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 über das äußere Schutzrohr 28 hinaus in das strömende Abgas 32 hinein. An dem dem strömenden Abgas abgewandten Ende der beiden Schutzrohre 28, 30 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. The soot particle 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 generally cylindrical or prismatic shape. The bases of the cylinder shapes are preferably circular, elliptical or polygonal. The cylinders are preferably arranged coaxially with the axes of the cylinders aligned transverse to the flow of exhaust gas 32 . The inner protective tube 30 protrudes in Direction of the axes beyond the outer protective tube 28 also into the flowing exhaust gas 32 inside. At the end of the two protective tubes 28, 30 facing away from the flowing exhaust gas, 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 between the two protective tubes 28, 30 there is a first flow cross section. The clear width of the inner protective tube 30 forms a second flow cross section.
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 Rußpartikelsensor 16 quer zur Abgasströmung an, bzw. in einem Abgasrohr befestigt. The result of this geometry is that exhaust gas 32 enters the arrangement of the two protective tubes 28, 30 via the first flow cross-section, then changes direction at the end of the protective tubes 28, 30 facing away from the exhaust gas 32, enters the inner protective tube 30 and exits it is sucked out by the exhaust gas 32 flowing past. A laminar flow results in the inner protective tube 30 . This arrangement of protective tubes 28, 30 is attached to the soot particle sensor 16 transversely to the flow of exhaust gas or in an exhaust pipe.
Der Rußpartikelsensor 16 weist darüber hinaus das Lasermodul 18 auf, das bevorzugt paralleles Laserlicht 10 erzeugt. Im Strahlengang des bevorzugt parallelen Laserlichtes 10 befindet sich ein Strahlteiler 34. Ein den Strahlteiler 34 ohne Umlenkung durchlaufender Teil des Laserlichtes 10 wird durch das optische Element 20 zu einem sehr kleinen Spot 22 im Inneren des inneren Schutzrohrs 30 fokussiert. In diesem Spot 22 ist die Lichtintensität hoch genug, um die mit dem Abgas 32 transportierten Rußpartikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius zu erhitzen, so dass die erhitzten Rußpartikel 12 signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung emittieren. Die Strahlung 14 liegt zum Beispiel im nah-infraroten und sichtbaren Spektralbereich, ohne dass die Erfindung auf Strahlung 14 aus diesem Spektralbereich beschränkt ist. Ein Teil dieser ungerichtet in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14, beziehungsweise dieses LII-Lichtes, wird von dem optischen Element 20 erfasst und über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 gerichtet. Dieser Aufbau hat den besonders wichtigen Vorteil, dass nur ein optischer Zugang zum Abgas 32 benötigt wird, da die gleiche Optik, insbesondere das gleiche optische Element 20 für die Erzeugung des Spots 22 und für das Erfassen der vom Rußpartikel 12 ausgehenden Strahlung 14 benutzt wird. Das Abgas 32 ist ein Beispiel eines Messgases. Das Messgas kann auch ein anderes Gas oder Gasgemisch sein, zum Beispiel Raumluft. The soot particle sensor 16 also has the laser module 18 which preferably generates parallel laser light 10 . A beam splitter 34 is located in the beam path of the preferably parallel laser light 10 . The light intensity in this spot 22 is high enough to heat the soot particles 12 transported with the exhaust gas 32 to several thousand degrees Celsius, so that the heated soot particles 12 emit significant radiation 14 in the form of thermal radiation. The radiation 14 is, for example, in the near-infrared and visible spectral range, without the invention being restricted to radiation 14 from this spectral range. Part of this radiation 14 emitted in an undirected manner in the form of temperature radiation, or this LII light, is detected by the optical element 20 and directed onto the detector 26 via the beam splitter 34 . This structure has the particularly important advantage that only one optical access to the exhaust gas 32 is required, since the same optics, in particular the same optical element 20, are used for generating the spot 22 and for detecting the radiation 14 emanating from the soot particle 12. The exhaust 32 is an example of one measuring gas. The measuring gas can also be another gas or gas mixture, for example room air.
Das Lasermodul 18 weist eine Laserdiode 36 eine zweite Linse 38 auf, die das von der Laserdiode 36 ausgehende Laserlicht 10 bevorzugt parallel ausrichtet. Der Einsatz der Laserdiode 36 stellt eine besonders kostengünstige und einfach handhabbare Möglichkeit der Erzeugung von Laserlicht 10 dar. Das bevorzugt parallele Laserlicht 10 wird durch das optische Element 20 zum Spot 22 fokussiert. The laser module 18 has a laser diode 36 and a second lens 38, which preferably aligns the laser light 10 emitted by the laser diode 36 in parallel. The use of the laser diode 36 represents a particularly cost-effective and easy-to-handle option for generating laser light 10. The preferably parallel laser light 10 is focused by the optical element 20 to form the spot 22.
Der optische Rußpartikelsensor 16 weist bevorzugt einen dem Abgas ausgesetzten ersten Teil 16.1 und einen dem Abgas nicht ausgesetzten zweiten Teil 16.2 auf, der die optischen Komponenten des Rußpartikelsensors 16 enthält. Beide Teile sind durch eine Trennwand 16.3 getrennt, die zwischen den Schutzrohren 28, 30 und den optischen Elementen des Rußpartikelsensors verläuft. Die Wand 16.3 dient der Isolation der empfindlichen optischen Elemente von dem heißen, chemisch unter Umständen aggressiven Abgas 32. In der Trennwand 32 ist im Strahlengang des Laserlichtes 10 ein Schutzfenster 40 angebracht, durch das hindurch das Laserlicht 10 in das Abgas 32 einfällt und über das vom Spot 22 ausgehende Strahlung 14 auf das optische Element 20 und von da aus über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 einfallen kann. The optical soot particle sensor 16 preferably has a first part 16.1 that is exposed to the exhaust gas and a second part 16.2 that is not exposed to the exhaust gas and contains the optical components of the soot particle sensor 16. Both parts are separated by a partition 16.3, which runs between the protective tubes 28, 30 and the optical elements of the soot particle sensor. The wall 16.3 serves to insulate the sensitive optical elements from the hot, chemically aggressive exhaust gas 32. In the partition wall 32, a protective window 40 is mounted in the beam path of the laser light 10, through which the laser light 10 impinges into the exhaust gas 32 and via the Radiation 14 emanating from the spot 22 can impinge on the optical element 20 and from there on the detector 26 via the beam splitter 34 .
Alternativ zu dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Erzeugung des Spots 22 und das Erfassen der von Rußpartikeln im Spot ausgehenden Strahlung 14 auch über getrennte optische Strahlengänge erfolgen. As an alternative to the exemplary embodiment shown here, the spot 22 can also be generated and the radiation 14 emitted by soot particles in the spot can also be detected via separate optical beam paths.
Es ist auch denkbar, den Spot 22 mit anderen als den hier lediglich als Ausführungsbeispiel angegebenen Linsenkombinationen zu erzeugen. Außerdem kann der Rußpartikelsensor 16 auch mit anderen Laserlichtquellen als den hier für Ausführungsbeispiele angegebenen Laserdioden 36 verwirklicht werden. It is also conceivable to generate the spot 22 with lens combinations other than those given here merely as an exemplary embodiment. In addition, the soot particle sensor 16 can also be implemented with laser light sources other than the laser diodes 36 specified here for exemplary embodiments.
Überdies ist ein Filter 42, das im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler 34 und dem Detektor 26 angeordnet ist vorgesehen. Das Filter 42 zeichnet sich dadurch aus, dass es für das Laserlicht 10 weniger durchlässig ist als für die Strahlung 14, die vom Spot 22 ausgeht, wenn sich dort ein Rußpartikel 12 befindet. Bei einem Einbau des Rußpartikelsensors 16 in einen Abgasstrang eines Verbrennungsprozesses erlaubt die mit dem Filter 42 erfolgende Ausfilterung des Anregungslichts (Laserlichtes) in Verbindung mit der fast kompletten Abwesenheit von Fremd-/Umgebungslicht im Abgasstrang die Verwendung von besonders empfindlichen Detektoren 26, z.B. von kostengünstigen SiPM (silicon photomultiplier) oder SPAD-Detektoren (SPAD: single-photon avalanche diode). Als Folge kann bereits ein von einem besonders kleinen Rußpartikel erzeugtes und daher extrem kleines Lichtsignal, das beispielsweise von wenigen 10 Photonen gebildet wird, detektiert werden. Damit sinken die Abmessungen von Rußpartikeln, die gerade noch nachweisbar sind, auf eine untere Nachweisgrenze von 10 bis 100 nm ab. In addition, a filter 42, which is arranged in the beam path between the beam splitter 34 and the detector 26, is provided. The filter 42 is characterized in that it is less permeable for the laser light 10 than for the radiation 14 which emanates from the spot 22 when there is a soot particle 12 there. When the soot particle sensor 16 is installed in an exhaust line of a combustion process, the filter 42 that filters out the excitation light (laser light) in conjunction with the almost complete absence of extraneous/ambient light in the exhaust line allows the use of particularly sensitive detectors 26, e.g. inexpensive SiPM (silicon photomultiplier) or SPAD detectors (SPAD: single-photon avalanche diode). As a result, a light signal generated by a particularly small soot particle and therefore extremely small, which is formed by a few 10 photons, for example, can already be detected. This reduces the dimensions of soot particles, which can just about be detected, to a lower detection limit of 10 to 100 nm.
Nachfolgend werden in den Figuren 4 bis 8 spezifische Ausführungsformen der Erfindung gezeigt, wobei auf den in der Figur 3 gezeigten Aufbau insofern Bezug genommen wird, dass nachfolgend im Schwerpunkt nur auf die erfindungsgemäßen Modifikationen eingegangen wird. In the following, specific embodiments of the invention are shown in FIGS. 4 to 8, wherein reference is made to the structure shown in FIG.
Den in den Figuren 4 bis 8 gezeigten Ausführungsformen gemeinsam ist, dass im Laserstrahl 17 angeordnete optische Elemente 20a, 20b zur Bündelung des Laserstrahls 17 in einen Spot 22 mit einem Tophat-Strahlprofil in der Arbeitsebene 15 vorgesehen sind. In den bildlich dargestellten Beispielen ist mindestens ein optisches Element 20b umfasst, das das Strahlprofil des Laserstrahls 17 entsprechend ändert. Gleichwohl ist von der Erfindung die Alternative nicht grundsätzlich ausgeschlossen, ein Lasermodul 18 zu verwenden, das von sich aus einen Laserstrahl 17 mit dem gewünschten Tophat- Strahlprofil emittiert. Dann können im Übrigen optische Elemente 20a, 20b verwendet werden, durch deren Abbildungen diese Eigenschaft lediglich beibehalten wird, zum Beispiel sphärische Linsen bzw. Fraunhofer-Elemente und/oder sphärische und/oder plane Spiegel und dergleichen. The embodiments shown in FIGS. 4 to 8 have in common that optical elements 20a, 20b arranged in the laser beam 17 are provided for bundling the laser beam 17 into a spot 22 with a tophat beam profile in the working plane 15. In the examples illustrated, at least one optical element 20b is included, which changes the beam profile of the laser beam 17 accordingly. Nevertheless, the invention does not fundamentally rule out the alternative of using a laser module 18 which itself emits a laser beam 17 with the desired top-hat beam profile. Then, in addition, optical elements 20a, 20b can be used, through the imaging of which this property is merely retained, for example spherical lenses or Fraunhofer elements and/or spherical and/or plane mirrors and the like.
Den in den Figuren 4 bis 8 gezeigten Ausführungsformen ist ferner gemeinsam, dass der bereits in der Figur 3 gezeigte Strahlteiler 34 hier als dichroitischer Strahlteiler 34 ausgebildet ist, an dem der Laserstrahl 17 vollständig oder nahezu vollständig reflektiert und in Richtung des Spots 22 umgelenkt wird. Die von den den Spot 22 durchquerenden Rußpartikeln 12 emittierte Strahlung 14 durchquert den dichroitischer Strahlteiler 34 in Transmission hingegen nahezu vollständig und gelangt - fokussiert durch die weitere Linse 25 - auf den Detektor 26. The embodiments shown in FIGS. 4 to 8 also have in common that the beam splitter 34 already shown in FIG. The radiation 14 emitted by the soot particles 12 traversing the spot 22 traverses the dichroic beam splitter 34 in transmission, however, almost completely and arrives - focused through the further lens 25 - on the detector 26.
In der Figur 4 ist das optische Element 20b, das das Strahlprofil des Laserstrahls 17 ändert, zwischen dem Lasermodul 18 und dem dichroitischen Strahlteiler 34 angeordnet. Es handelt sich dabei um ein diffraktives optisches Element. In FIG. 4, the optical element 20b, which changes the beam profile of the laser beam 17, is arranged between the laser module 18 and the dichroic beam splitter 34. It is a diffractive optical element.
In der Figur 5 ist das optische Element 20b, das das Strahlprofil des Laserstrahls 17 ändert, zwischen dem dichroitischen Strahlteiler 34 und dem Spot 22 angeordnet. Es handelt sich dabei um ein diffraktives optisches Element. Alternativ könnte auch ein refraktiver Strahlformer anstelle des diffraktiven optischen Elements vorgesehen sein. In FIG. 5, the optical element 20b, which changes the beam profile of the laser beam 17, is arranged between the dichroic beam splitter 34 and the spot 22. It is a diffractive optical element. Alternatively, a refractive beam shaper could also be provided instead of the diffractive optical element.
In der Figur 6 ist das optische Element 20b, das das Strahlprofil des Laserstrahls 17 ändert, ebenfalls zwischen dem dichroitischen Strahlteiler 34 und dem Spot 22 angeordnet. Es handelt sich in diesem Fall um ein diffraktives optisches Element in Form eines Fresnel Elements, das neben der Strahlformung auch die Strahlbündelung zu einem Spot 22 bewirkt. Eine separate erste Linse, vergleichbar der Linse 24 in Figur 3, 4 bzw. Figur 5 ist insofern in diesem Beispiel verzichtbar. In FIG. 6, the optical element 20b, which changes the beam profile of the laser beam 17, is also arranged between the dichroic beam splitter 34 and the spot 22. In this case, it is a diffractive optical element in the form of a Fresnel element which, in addition to beam shaping, also effects beam bundling to form a spot 22 . A separate first lens, comparable to the lens 24 in FIGS. 3, 4 or FIG. 5, can therefore be dispensed with in this example.
In der Figur 7 ist das optische Element 20b, das das Strahlprofil des Laserstrahls 17 ändert, zwischen dem Spot 22 und dem dichroitischen Strahlteiler 34 angeordnet. Es handelt sich dabei um ein diffraktives optisches Element das aus einem hybriden Frensnel-Fraunhoferelement besteht. In FIG. 7, the optical element 20b, which changes the beam profile of the laser beam 17, is arranged between the spot 22 and the dichroic beam splitter 34. FIG. It is a diffractive optical element consisting of a hybrid Frensnel-Fraunhofer element.
In der Figur 8 ist das optische Element 20b, das das Strahlprofil des Laserstrahls 17 ändert, zwischen dem Spot 22 und dem dichroitischen Strahlteiler 34 angeordnet. Es handelt sich dabei um einen refraktiven Strahlformer (engl.: refractive beam shaper). In FIG. 8, the optical element 20b, which changes the beam profile of the laser beam 17, is arranged between the spot 22 and the dichroic beam splitter 34. FIG. It is a refractive beam shaper.
Es ist auch möglich, dass die gezeigten Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, also insbesondere jedes der in den Beispielen gezeigten optischen Elemente 20b an jeder Position angeordnet sein kann, an der in einem Beispiele ein optisches Element angeordnet ist. Auch die Vorsehung mehrerer optischer Elemente 20b ist auf diese Weise möglich. Rußpartikel 12 mit bekanntem Durchmesser wurden mit einem erfindungsgemäßen Rußpartikelsensor detektiert (siehe Figur 9a) und mit einem herkömmlichen Rußpartikelsensor, vergleichbar dem in Figur 3 gezeigten Rußpartikelsensor, dessen Strahlprofil im Spot 22 die Form einer Gaußverteilung aufweist (siehe Figur 9b). Dargestellt ist in Figur 9a und 9b jeweils die Peakhöhe des mit dem Detektor 26 gewonnenen Signals in beliebigen Einheiten als Funktion des Partikeldurchmessers in nm. Jeder Messwert ist durch einen unausgefüllten Kreis dargestellt. Ersichtlich kann im erfindungsgemäßen Fall (Figur 9a) von dem gemessenen Signal präzise und eindeutig auf den Durchmesser des signalgebenden Rußpartikels 12 geschlossen werden, während dies bei dem vorbekannten Sensor (Figur 9b) nicht bzw. nur sehr eingeschränkt der Fall ist. It is also possible for the embodiments shown to be combined with one another, ie in particular each of the optical elements 20b shown in the examples can be arranged at any position at which an optical element is arranged in one example. The provision of a plurality of optical elements 20b is also possible in this way. Soot particles 12 with a known diameter were detected with a soot particle sensor according to the invention (see Figure 9a) and with a conventional soot particle sensor, comparable to the soot particle sensor shown in Figure 3, whose beam profile in spot 22 has the form of a Gaussian distribution (see Figure 9b). The peak height of the signal obtained with the detector 26 is shown in FIGS. 9a and 9b in arbitrary units as a function of the particle diameter in nm. Each measured value is shown by an unfilled circle. In the case according to the invention (FIG. 9a), the diameter of the signaling soot particle 12 can be deduced precisely and unambiguously from the measured signal, while this is not the case with the previously known sensor (FIG. 9b) or only to a very limited extent.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Rußpartikelsensor (16) mit einem einen Laserstrahl (17) emittierenden Lasermodul (18), wobei der Rußpartikelsensor (16) im Laserstrahl (17) angeordnete optische Elemente (20a, 20b) zur Bündelung des Laserstrahls (17) in einen Spot (22) mit einem Tophat-Strahlprofil aufweist, und mit einem zur Detektion von Strahlung (14) eingerichteten Detektor (26), der im Rußpartikelsensor (16) so angeordnet ist, dass er von den Spot (22) durchquerenden Rußpartikeln emittierte Strahlung (14) zu detektieren vermag. 1. Soot particle sensor (16) with a laser module (18) emitting a laser beam (17), wherein the soot particle sensor (16) has optical elements (20a, 20b) arranged in the laser beam (17) for bundling the laser beam (17) into a spot (22 ) having a tophat beam profile, and having a detector (26) set up to detect radiation (14), which is arranged in the soot particle sensor (16) in such a way that it detects the soot particles emitted by the spot (22) traversing the radiation (14). able to detect.
2. Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (20a, 20b) mindestens ein optisches Element umfassen (20b), das das Strahlprofil des Laserstrahls (17) ändert. 2. Soot particle sensor (16) according to claim 1, characterized in that the optical elements (20a, 20b) comprise at least one optical element (20b) which changes the beam profile of the laser beam (17).
3. Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optische Element (20b), das das Strahlprofil des Laserstrahls (17) ändert, ein diffraktives optisches Element ist. 3. Soot particle sensor (16) according to claim 2, characterized in that the at least one optical element (20b) that changes the beam profile of the laser beam (17) is a diffractive optical element.
4. Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optische Element (20b), das das Strahlprofil des Laserstrahls (17) ändert, ein reaktiver Strahlformer ist. 4. Soot particle sensor (16) according to claim 2, characterized in that the at least one optical element (20b) that changes the beam profile of the laser beam (17) is a reactive beam shaper.
5. Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optische Element (20b), das das Strahlprofil des Laserstrahls (17) ändert, ein strahlformender Diffuser ist. 5. Soot particle sensor (16) according to claim 2, characterized in that the at least one optical element (20b) that changes the beam profile of the laser beam (17) is a beam-shaping diffuser.
6. Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optische Element (20b), das das Strahlprofil des Laserstrahls (17) ändert, ein Fresnel-Element ist. 6. Soot particle sensor (16) according to claim 2, characterized in that the at least one optical element (20b) that changes the beam profile of the laser beam (17) is a Fresnel element.
7. Rußpartikelsensor (16) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen dem Lasermodul (18) und dem Spot (22) ein dichroitischer Strahlteiler (34) angeordnet ist, und dass das optische Element (20b), das das Strahlprofil des Laserstrahls (17) ändert, zwischen dem Lasermodul (18) und dem dichroitischen Strahlteiler (34) angeordnet ist. 7. Soot particle sensor (16) according to one of claims 2 to 6, characterized in that a dichroic beam splitter (34) is arranged in the beam path between the laser module (18) and the spot (22), and that the optical element (20b) changing the beam profile of the laser beam (17) is arranged between the laser module (18) and the dichroic beam splitter (34).
8. Rußpartikelsensor (16) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen dem Lasermodul (18) und dem Spot (22) ein dichroitischer Strahlteiler (34) angeordnet ist, und dass das optische Element (20b), das das Strahlprofil des Laserstrahls (17) ändert, zwischen dem Spot (22) und dem dichroitischen Strahlteiler (34) angeordnet ist. 8. Soot particle sensor (16) according to one of claims 2 to 6, characterized in that a dichroic beam splitter (34) is arranged in the beam path between the laser module (18) and the spot (22), and that the optical element (20b), which changes the beam profile of the laser beam (17), is arranged between the spot (22) and the dichroic beam splitter (34).
9. Rußpartikelsensor (16) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasermodul (18) einen CW-Diodenlaser aufweist, der den Laserstrahl (17) emittiert. 9. soot particle sensor (16) according to any one of claims 2 to 8, characterized in that the laser module (18) has a CW diode laser which emits the laser beam (17).
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