WO2022228802A1 - Optischer partikelsensor, insbesondere abgassensor, und verfahren - Google Patents

Optischer partikelsensor, insbesondere abgassensor, und verfahren Download PDF

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WO2022228802A1
WO2022228802A1 PCT/EP2022/058105 EP2022058105W WO2022228802A1 WO 2022228802 A1 WO2022228802 A1 WO 2022228802A1 EP 2022058105 W EP2022058105 W EP 2022058105W WO 2022228802 A1 WO2022228802 A1 WO 2022228802A1
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WO
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optical
particle
wavelength
particle sensor
thermal radiation
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/058105
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English (en)
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Inventor
Matteo KAMMERER
Fabian Purkl
Martin Buchholz
Arne Huber
Enno Baars
Simon Schneider
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
    • G01N25/48—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on solution, sorption, or a chemical reaction not involving combustion or catalytic oxidation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke

Definitions

  • a particle sensor for detecting soot particles in an exhaust gas duct of a burner or an internal combustion engine with means for generating laser light and with means for focusing laser light and with means for detecting thermal radiation is already known from the applicant's prior art WO 2020/088843 A1.
  • the particle sensor is based on the measuring principle of laser-induced incandescence in that it is set up to generate laser light and has an optical element arranged in the beam path of the laser, which is set up to bundle this laser light into a focus, and the detector in the particle sensor is arranged in this way that it detects radiation emanating from the focus. In this way, it can be determined in a time-resolved manner whether a particle is in focus or not.
  • the present invention takes into account the desire of the inventors, in addition to the mere information about the presence of the particle in focus, to obtain further information relating to the particle, in particular the temperature of the particle, the size of the particle and the chemical composition or substance class of the particle, in particular an assignment of the particle to one of two or more chemical compositions or classes of substances, such as carbon, for example soot, and/or iron, calcium, magnesium, zinc, phosphorus or sulfur, an oxide, sulfate or phosphate formed therefrom, for example a metal oxide, especially iron oxide.
  • the invention is based on the finding of the inventors that the further information relating to the particle can be derived from information relating to the optical spectrum of the thermal radiation.
  • the optical spectrum of thermal radiation means, in particular, the spectral energy or power density distribution of thermal radiation in the infrared, visible and/or ultraviolet frequency range or range.
  • the optical frequency f is the frequency f assigned to the temperature radiation in its property as an electromagnetic wave (i.e. as light), in particular the quotient of the speed of light c and the (optical) wavelength l assigned to the light in this respect.
  • the temperature of the particle can be inferred from the information relating to the optical spectrum of the thermal radiation—for example from the optical spectrum itself.
  • complete knowledge of the optical spectrum is generally not absolutely necessary.
  • the chemical composition or substance class of the particle can be inferred either directly from the information relating to the optical spectrum of the thermal radiation or from the temperature of the particle determined as above , for example, the particle can be assigned to one of two or more chemical compositions or substance classes.
  • the total power and/or energy of the thermal radiation emitted is also determined, then either directly by considering the information relating to the optical spectrum of the thermal radiation or the temperature of the particle determined as above or the chemical composition or substance class of the particle the size of the particle can be closed.
  • the invention relates to a particle sensor for detecting particles by means of laser-induced incandescence, the particle sensor having means for generating and/or supplying laser light and having means for focusing the laser light in a focus and means for detection of thermal radiation generated by laser-induced incandescence in the focus, the means for detection being able to detect information relating to the optical spectrum of the thermal radiation.
  • laser light is generated or supplied with this particle sensor, that the laser light is focused in a focus, that thermal radiation generated by laser-induced incandescence in the focus is detected and that information relating to the optical spectrum of the thermal radiation is detected and that from the information relating to the optical spectrum of the thermal radiation determines the temperature of the particle and/or that the particle is assigned to a chemical composition or substance class.
  • means for generating laser light is understood to mean in particular a laser, for example a diode laser (semiconductor laser), in particular a cw laser whose output power and focusability is so high that it causes particles, for example soot particles, to emit thermal energy is able to stimulate radiation, for example by heating the particles, for example soot particles, to over 3500 K.
  • a laser for example a diode laser (semiconductor laser), in particular a cw laser whose output power and focusability is so high that it causes particles, for example soot particles, to emit thermal energy is able to stimulate radiation, for example by heating the particles, for example soot particles, to over 3500 K.
  • means for supplying laser light is understood to mean, in particular, an optical fiber that is transparent to the relevant laser light and/or an optical window that is transparent to the laser light.
  • the laser light can be ultraviolet, visible and/or infrared.
  • the particle sensor can interact with means for generating laser light, which can be arranged separately from the particle sensor.
  • means for focusing laser light is understood to mean, in particular, a converging lens that is transparent to the laser light in question. It can also be an arrangement of several lenses that are transparent to the laser light in question, for example a telescope in which several such lenses work together. Alternatively, it could also be a concave mirror or a combination of at least one lens and at least one concave mirror.
  • thermal radiation is understood in particular to mean: electromagnetic radiation, in particular with a spectral distribution corresponding to the emission of hot, in particular black, bodies, for example incoherent radiation in the infrared, visible and/or ultraviolet spectral range.
  • thermal radiation is understood to mean, in particular, light.
  • the information relating to the optical spectrum of the temperature radiation can be the optical spectrum itself, as can be obtained, for example, with an optical spectrometer.
  • instruments of this type supply precise and broadband information, they are complex and can therefore only be installed to a very limited extent in a particle sensor, in particular on an exhaust line of an internal combustion engine.
  • An advantageous solution consists in providing first means for opto-electrical conversion, which convert the temperature radiation generated in the focus into a first electrical signal with a first sensitivity dependent on the optical wavelength, and second means for opto-electrical conversion, which in Convert focus-generated thermal radiation with a second sensitivity dependent on the optical wavelength into a second electrical signal, the first sensitivity dependent on the optical wavelength being different from the second sensitivity dependent on the optical wavelength.
  • the first opto-electronic conversion has a sensitivity other than zero essentially only above this cut-off wavelength, while the second opto-electronic conversion essentially only below this cut-off wavelength has a non-zero sensitivity.
  • the first signal dominates the second signal, for example if it is larger than this, it can indicate a hotter one Particles are closed or a particle with a higher sublimation temperature and a corresponding chemical composition or substance class.
  • the second signal dominates the first signal, for example if it is larger than this, it is possible to conclude that the particle is less hot or that it is a particle with a lower sublimation temperature and a corresponding chemical composition or substance class.
  • one or more beam splitters in transmission or reflection, one or more optical filters etc. and comprise a second photodetector, the second optical components thermal radiation with a second of the optical wavelength dependent transfer function from the focus to the second photodetector and the second photodetector converts light having a second optical wavelength dependent detection function into a second electrical signal.
  • first photodetector and the second photodetector are structurally identical to one another or have the same detection function dependent on the optical wavelength.
  • they may be silicon-based single-photon detectors, such as single-photon avalanche diodes (SPADs).
  • SPADs single-photon avalanche diodes
  • the first optical components differ from the second optical components with regard to their transmission function which is dependent on the optical wavelength, similar to that explained above with regard to the sensitivities of the opto-electrical conversions. It can be provided, for example, that there is a limit wavelength and that the first optical components essentially only conduct temperature radiation above this limit wavelength to the first photodetector and that the second optical components essentially only conduct temperature radiation below this limit wavelength to the second photodetector.
  • practicable concrete optical arrangements can provide that the first optical components and the second optical components are in at least one of the following relationships to one another:
  • the particle sensor has a wavelength-selective beam splitter, the beam splitter being part of the first optical components in transmission and the beam splitter being part of the second optical components in reflection.
  • the particle sensor has a wavelength-selective beam splitter, the beam splitter being part of the first optical components in reflection and the beam splitter being part of the second optical components in transmission.
  • the particle sensor has a beam splitter, the beam splitter in reflection and a first optical filter being part of the first optical components and the beam splitter in transmission and a second optical filter being part of the second optical components; wherein the first optical filter essentially precisely transmits the spectral components of the temperature radiation which the second optical filter absorbs.
  • the particle sensor has a beam splitter, the beam splitter in transmission and a first optical filter being part of the first optical components, and the beam splitter in reflection and a second optical filter being part of the second optical components, the first optical filter essentially being exactly the spectral components of the thermal radiation transmitted, which absorbs the second optical filter.
  • third means for opto-electrical conversion can be provided.
  • the latter can then in particular comprise third optical components and comprise a third photodetector, the third optical components transmitting thermal radiation with a third transmission function dependent on the optical wavelength to the third photodetector and the third photodetector transmitting light with a third detection function dependent on the optical wavelength into a third electrical signal, which can then also be taken into account wherever it is expressly noted in this application only for the first signal and the second signal.
  • the particle sensor actually comprises only exactly one first and one second photodetector each with associated optical components.
  • the information relating to the optical spectrum of the temperature radiation is calculated from the first electrical signal and the second electrical signal by means of a computing unit of the particle sensor or by means of a computing unit communicating with the particle sensor, for example by dividing the first electrical signal by the second electrical signal.
  • Fig. 1 is an illustration of the on the laser-induced
  • Incandescence-based measurement principle used in the invention 2 shows a basic structure to illustrate the functioning of the optical particle sensor
  • Fig. 4 shows a first embodiment of the invention
  • Fig. 5 shows a second embodiment of the invention
  • Fig. 6 shows a third embodiment of the invention
  • Fig. 7 shows an example of an optical characteristic of a wavelength-selective beam splitter
  • FIG. 1 illustrates the measuring principle based on laser-induced incandescence.
  • High-intensity laser light 10 strikes a particle 12, for example a soot particle.
  • the intensity of the laser light 10 is so high that the energy of the laser light 10 absorbed by the particle 12 heats the particle 12 to several thousand Kelvin.
  • the particle 12 emits significant radiation in the form of thermal radiation 14 spontaneously and essentially without a preferred direction.
  • FIG. 2 shows a schematic of a basic structure to illustrate the functioning of the particle sensor 16.
  • the particle sensor 16 has a CW laser module (CW: continuous wave; continuous wave) embodied laser 18, whose preferably collimated laser light 10 with at least one in the beam path of the laser 18 arranged converging lens 20 is focused on a very small focus 22 in which the intensity of the laser light 10 for laser-induced incandescence is sufficiently high.
  • the invention is not limited to the use of a CW laser. In principle, it is also conceivable to use pulsed operated lasers.
  • the dimensions of the focus 22 are in the range of a few ⁇ m, so that particles 12 traversing the focus 22 are excited to emit radiation power that can be evaluated by laser-induced incandescence.
  • the particle concentration in the measurement gas 32 is not too high, it can be assumed that there is almost always at most one particle 12 in the focus 22 and that an instantaneous measurement signal from the particle sensor 16 only comes from this at most one particle 12 .
  • the measurement signal is generated by a detector 26 which is arranged in the particle sensor 16 in such a way that it detects radiation 14 emanating from the particle 12 flying through the focus 22 , in particular thermal radiation 14 .
  • the detector 26 has, for example, a first photodetector 26.1 and a second photodetector 26.2, with either the two photodetectors 26.1, 26.2 themselves having different spectral sensitivities (detection functions 51, 52) or the quantitative measure of the transmission of the thermal radiation 14 from the focus to the two photodetectors (transfer functions v1, v2) has different spectral characteristics. It is thus possible, beyond a single particle measurement, to obtain information relating to the optical spectrum of the thermal radiation 14, on the basis of which information about the particle 12 such as temperature and chemical composition or substance class can be extracted.
  • FIG 3 shows an example of a basic structure of a particle sensor 16 according to the invention as an exhaust gas sensor.
  • the particle sensor 16 has a laser 18 which preferably generates collimated laser light 10 .
  • a wavelength-selective (eg, dichroic) beam splitter 34 is located in the beam path of the laser light 10 .
  • the light intensity is high enough to heat the particles 12 transported with the exhaust gas 32 to several thousand Kelvin, so that the heated particles 12 emit significant radiation in the form of thermal radiation 14 .
  • This 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.
  • the converging lens 20 A portion of this thermal radiation 14 emitted in an undirected manner is captured by the converging lens 20 and directed onto the detector 26 after transmission through the wavelength-selective beam splitter 34 .
  • a another lens 21 can be arranged, which focuses the thermal radiation 14 onto the detector 26, and an optical filter 43 can be arranged, which again selectively strongly attenuates the backscattered laser light 10 transmitted through the wavelength-selective beam splitter 34, so that it cannot reach the detector 26 .
  • the detector 26 can have a first photodetector 26.1 and a second photodetector 26.2 and optionally further photodetectors (not shown).
  • the structure described has the advantage that only one optical access 40 to the exhaust gas 32 is required, since the same optics, in particular the same converging lens 20, are used for generating the focus 22 and for detecting the temperature radiation 14 emanating from the particle 12.
  • the laser 18 has a laser diode 36 and a second lens 38 which preferably collimates the laser light 10 emanating from the laser diode 36 .
  • the use of the laser diode 36 represents a particularly inexpensive and easy-to-handle option for generating laser light 10 .
  • the laser light 10 which is preferably collimated, is focused by the converging lens 20 .
  • the optical particle sensor 16 has a first part 16.1 (exhaust gas side) exposed to the exhaust gas 32 and a second part 16.2 (clean gas side) which is not exposed to the exhaust gas and contains the optical components of the particle sensor 16. Both parts are separated from one another in a gas-tight manner by a partition wall 16.3, which is part of the housing 72 of the particle sensor 16, for example, and by the optical access 40.
  • the optical particle sensor 16 shown in Figure 3 can be installed, for example, in an exhaust pipe of an internal combustion engine, for example by means of a thread 17 formed on the housing 72 and by rotating the particle sensor 16 about the longitudinal axis 100 of the housing 72 or the particle sensor 16.
  • Two protective sleeves 71 arranged one inside the other are fixed to the housing 72 and take a partial flow from the exhaust pipe and feed it to the focus 22 .
  • Three embodiments of the invention are explained below with reference to FIGS Temperature radiation 14 from the focus 22 via a second beam path, in which there are second optical components, to a second photodetector 26.2.
  • the first optical components have, for example, a first transmission function v1 dependent on the optical wavelength l, with which they transmit the temperature radiation 14 from the focus 22 to the first photodetector 26.1
  • the second optical components for example, have a second optical wavelength l dependent transfer function v2, with which they transfer the thermal radiation 14 from the focus 22 to the second photodetector 26.2.
  • another wavelength-selective beam splitter 37 is arranged in the beam path of thermal radiation 14 .
  • it has the optical characteristics shown in FIG. 7, ie it essentially only transmits light with a wavelength 1 less than 650 nm (dashed line) and it essentially only reflects light with a wavelength 1 greater than 650 nm (dotted line).
  • the restriction "essentially” means in particular that the wavelength-selective beam splitter 37 can only have reflections and transmissions in a small wavelength interval around the cut-off wavelength l 9 (for example +/- 50 nm), which are not 0% or 100%, but for example between 3% and 97%.
  • the thermal radiation 37 transmitted through the further wavelength-selective beam splitter 37 falls on the first photodetector 26.1 and the thermal radiation 37 reflected on the further wavelength-selective beam splitter 37 falls on the second photodetector 26.2.
  • the spectral power/energy density distribution I as a function of the wavelength 1 of the thermal radiation 14 of a particle 12 is shown in FIG. 8 and is approximately given by Planck's law of radiation.
  • the spectral power/energy density distribution I emitted by a particle 12 at a temperature of 4200 K is shown in FIG. 8 by the solid line.
  • the spectral power/energy density distribution I, which is emitted by a particle 12 at a temperature of 3300 K, is shown in FIG. 8 by the dotted line.
  • the maximum of the spectral power/energy density distribution I is at a shorter wavelength l (the higher the optical frequency f), the hotter the particle 12 is.
  • the total power/energy of the thermal radiation emitted by a particle 12 also increases.
  • Power/energy density distribution of the temperature radiation of the 4200K hot particle and F1( ⁇ ) is the first sensitivity, namely the product of the first transfer function vl(A) with the first detection function 51(A).
  • a min and A max indicate the limits in which the photodetectors 26.1 and 26.2 have a sensitivity other than zero (detection functions 51(A) and 52(1)) respectively.
  • I min is e.g. 350 nm and X max is e.g. 1000 nm for the case of silicon based single photon detectors.
  • SI3300 K and S23300 K are determined in the same way as above.
  • a value of 0.45 is approximately obtained for Q42 00 K and a value of 0.33 is approximately obtained for Q 3300 K.
  • the value Q X K is information relating to the optical spectrum of the thermal radiation 14 . It is greater, the hotter the particle 12 emitting the temperature radiation 14 is. Furthermore (possibly after calibration of the particle sensor 16) the temperature of the particle 12 can be deduced from the value Q XK .
  • the chemical composition or substance class of the particle can be derived from the determined temperature using the data stored in the computing unit 12 can be closed.
  • the sublimation temperature of carbon for example soot
  • the sublimation temperature of iron oxide is 3300K.
  • the thermal radiation whose energy/power density spectrum is shown as a solid line in FIG. 8 can emanate from a soot particle
  • Thermal radiation the power density spectrum of which is shown as a dotted line in FIG. 8, can emanate from an iron oxide particle.
  • a large number of sublimation temperatures can each be assigned to a chemical composition or substance class in the computing unit, or different values of Q XK can each be assigned a chemical composition or substance class. If a corresponding temperature of a particle 12 is determined or a corresponding quotient Q XK is determined, then it can be concluded that the detected particle 12 consists of the associated chemical composition or substance class.
  • a (for example non-wavelength-selective) beam splitter 35 which splits the temperature radiation 14 largely independently of its optical frequency f or wavelength l into two partial beams by reflecting one and transmitting one.
  • the thermal radiation 14 transmitted through the beam splitter 35 passes through a first optical filter 41, the transmission of which corresponds to the dashed curve in FIG. 7, and then impinges on the first photodetector 26.1.
  • the thermal radiation 14 reflected at the beam splitter 35 passes through a second optical filter 42, the transmission of which corresponds to the dotted curve in FIG. 7, and then impinges on the second photodetector 26.2.
  • the signals S1, S2 obtained with the two photodetectors 26.1, 26.2 are processed further, for example, in the same way as explained above with regard to the first embodiment and with reference to FIG.
  • the third embodiment of the invention shown in FIG. 6 differs from the second embodiment of the invention shown in FIG it is focused with the lens 20 in the focus 22.
  • the temperature radiation 14 transmitted through the further wavelength-selective beam splitter 37 without interaction with the wavelength-selective beam splitter 35 falls on the first, after focusing at the first further lens 21.1 photodetector 26.1; the thermal radiation 14 transmitted through the wavelength-selective beam splitter 34, on the other hand, falls on the second photodetector 26.2 after focusing on the second additional lens 21.2.
  • the selection of the limit wavelength XG depends on the concrete objective and the boundary conditions of the particle detection.
  • the limit wavelength XG SO is selected such that the resulting quotients Q X K for the expected chemical compositions or substance classes differ as much as possible.
  • the limit wavelength XG is optimized with a view to that chemical composition or class of substances that has the lower sublimation temperature. This is based on the consideration that particles 12 with a higher sublimation temperature fundamentally emit more thermal radiation 14 and consequently generate larger electrical signals and are therefore easier to detect. Particles 12 with a lower sublimation temperature, on the other hand, generally emit less thermal radiation 14 and therefore tend to be more difficult to detect, especially when they are small.
  • An overall signal with an optimized signal-to-noise ratio can be generated by coupling (e.g. summing) the signals S1, S2 of both/all photodetectors 26.1, 26.2, since the noise of the signals S1, S2 of both/all photodetectors 26.1, 26.2 is uncorrelated with one another - or , due to beam splitting and the quantum nature of light, even partially anti-correlated - can be assumed.
  • This overall signal can be used, for example, to detect that (regardless of the information relating to the optical spectrum of the thermal radiation 14) there is a particle 12 in the focus 22 and
  • Thermal radiation 14 emitted is carried out logically and/or sequentially in terms of time.

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Abstract

Partikelsensor zum Nachweis von Partikeln (12) in einem Messgas, insbesondere im Abgas (32) einer Brennkraftmaschine, mittels laserinduzierter Inkandeszenz, wobei der Partikelsensor (16) Mittel zur Erzeugung (18) und/oder zur Zuführung von Laserlicht (10) aufweist und Mittel zur Fokussierung (20) des Laserlichts (10) in einem Fokus (22) aufweist und Mittel zur Detektion (26) von durch laserinduzierte Inkandeszenz im Fokus (22) erzeugter Temperaturstrahlung (14) aufweist, wobei die Mittel zur Detektion (26) eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffende Information zu detektieren vermögen.

Description

Beschreibung
Titel
OPTISCHER PARTIKELSENSOR, INSBESONDERE ABGASSENSOR, UND VERFAHREN
Aus dem Stand der Technik WO 2020/088843 A1 der Anmelderin ist bereits ein Partikelsensor zum Nachweis von Rußpartikeln in einem Abgaskanal eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine mit Mitteln zur Erzeugung von Laserlicht und mit Mitteln zur Fokussierung von Laserlicht und mit Mitteln zur Detektion von Temperaturstrahlung bekannt. Der Partikelsensor beruht auf dem Messprinzip der laserinduzierten Inkandeszenz, indem er eingerichtet ist, Laserlicht zu erzeugen und ein im Strahlengang des Lasers angeordnetes optisches Element aufweist, das dazu eingerichtet ist, dieses Laserlicht in einen Fokus zu bündeln, und der Detektor im Partikelsensor so angeordnet ist, dass er vom Fokus ausgehende Strahlung detektiert. Auf diese Weise kann zeitaufgelöst festgestellt werden, ob sich im Fokus ein Partikel befindet oder nicht.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung trägt dem Wunsch der Erfinder Rechnung, neben der bloßen Information über die Anwesenheit des Partikels im Fokus, weitere das Partikel betreffende Informationen zu gewinnen, insbesondere die Temperatur des Partikels, die Größe des Partikels und die chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse des Partikels, insbesondere eine Zuordnung des Partikels zu einer von zwei oder mehr chemischen Zusammensetzungen oder Stoffklassen, wie Kohlenstoff, beispielsweise Ruß, und/oder Eisen, Calcium, Magnesium, Zink, Phosphor oder Schwefel, ein hieraus gebildetes Oxid, Sulfat oder Phosphat, zum Beispiel ein Metalloxid, insbesondere Eisenoxid.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis der Erfinder, dass die weiteren das Partikel betreffenden Informationen durch eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffende Information erschlossen werden können. Unter dem optischen Spektrum der Temperaturstrahlung ist insbesondere die spektrale Energie- oder Leistungsdichteverteilung der Temperaturstrahlung im infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Frequenz- bzw.
Wellenlängenbereich zu verstehen. Unter der optischen Frequenz f ist die der Temperaturstrahlung in seiner Eigenschaft als elektromagnetische Welle (also als Licht) zugeordnete Frequenz f zu verstehen, insbesondere der Quotient aus der Lichtgeschwindigkeit c und der insofern dem Licht zugeordneten (optischen) Wellenlänge l.
Beispielsweise kann unter der Prämisse, dass das Partikel sich gemäß dem physikalischen Modell eines schwarzen Strahlers verhält, aus der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffenden Information - beispielsweise aus dem optischen Spektrum selbst - auf die Temperatur des Partikels geschlossen werden. Die vollständige Kenntnis des optischen Spektrum ist allerdings im allgemeinen nicht zwingend erforderlich.
Unter der weiteren Prämisse, dass das Partikel im Fokus seine Sublimationstemperatur annimmt und eine gewisse Zeit beibehält, kann entweder direkt aus der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffenden Information oder aus der wie oben bestimmten Temperatur des Partikels auf die chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse des Partikels geschlossen werden, beispielsweise kann eine Zuordnung des Partikels zu einer von zwei oder mehr chemischen Zusammensetzungen oder Stoffklassen vorgenommen werden.
Wird mit Hinblick auf ein Partikel zusätzlich die gesamte Leistung und/oder Energie der abgestrahlten Temperaturstrahlung bestimmt, so kann entweder direkt durch Berücksichtigung der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffenden Information oder der wie oben bestimmten Temperatur des Partikels oder der chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse des Partikels auf die Größe des Partikels geschlossen werden.
Demgemäß betrifft die Erfindung einen Partikelsensor zum Nachweis von Partikeln mittels laserinduzierter Inkandeszenz, wobei der Partikelsensor Mittel zur Erzeugung und/oder zur Zuführung von Laserlicht aufweist und Mittel zur Fokussierung des Laserlichts in einem Fokus aufweist und Mittel zur Detektion von durch laserinduzierte Inkandeszenz im Fokus erzeugter Temperaturstrahlung aufweist, wobei die Mittel zur Detektion eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffende Information zu detektieren vermögen.
Es ist erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, dass mit diesem Partikelsensor Laserlicht erzeugt oder zugeführt wird, dass das Laserlicht in einem Fokus fokussiert wird, dass durch laserinduzierte Inkandeszenz im Fokus erzeugte Temperaturstrahlung detektiert wird und dass eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffende Information detektiert wird und dass aus der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffenden Information die Temperatur des Partikels bestimmt wird und/oder dass das Partikel einer chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse zugeordnet wird.
Unter Mitteln zur Erzeugung von Laserlicht wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Laser, beispielsweise ein Diodenlaser (Halbleiterlaser), verstanden, insbesondere ein cw-Laser, dessen Ausgangsleistung und Fokussierbarkeit so hoch ist, dass er Partikel, beispielsweise Rußpartikel, zur Emission von thermischer Strahlung anzuregen vermag, beispielsweise durch Erhitzen der Partikel, beispielsweise Rußpartikel, auf über 3500 K.
Unter Mitteln zur Zuführung von Laserlicht wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine optische Faser verstanden, die für das betreffende Laserlicht transparent ist, und/oder ein optisches Fenster verstanden, das für das Laserlicht transparent ist. Das Laserlicht kann grundsätzlich ultraviolett, sichtbar und/oder infrarot sein.
Im Zusammenhang mit dem Vorhandensein von Mitteln zur Zuführung von Laserlicht kann vorgesehen sein, dass der Partikelsensor mit Mitteln zur Erzeugung von Laserlicht Zusammenwirken kann, die von dem Partikelsensor getrennt angeordnet sein können.
Unter Mitteln zur Fokussierung von Laserlicht wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Sammellinse verstanden, die für das betreffende Laserlicht transparent ist. Es kann sich auch um eine Anordnung mehrerer Linsen, die für das betreffende Laserlicht transparent sind, handeln, beispielsweise um ein Teleskop in dem mehrere derartige Linsen zusammenwirken. Alternativ könnte es sich auch um einen Hohlspiegel oder um eine Kombination von mindestens einer Linse und mindestens einem Hohlspiegel handeln.
Unter Temperaturstrahlung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden: elektromagnetische Strahlung, insbesondere mit einer spektralen Verteilung entsprechend der Emission heißer, insbesondere schwarzer, Körper, beispielsweise inkohärente Strahlung im infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Spektralbereich.
Unter Temperaturstrahlung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere Licht verstanden.
Die das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffende Information kann wie schon erwähnt das optische Spektrum selbst sein, wie man es beispielsweise mit einem optischen Spektrometer erhalten kann. Derartige Instrumente liefern zwar präzise und breitbandige Informationen, allerdings sind sie aufwändig und daher in einem Partikelsensor, insbesondere an einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, nur sehr eingeschränkt installierbar.
Eine vorteilhafte Lösung besteht darin, erste Mittel zur opto-elektrischen Wandlung vorzusehen, die die im Fokus erzeugte Temperaturstrahlung mit einer ersten von der optischen Wellenlänge abhängigen Empfindlichkeit in ein erstes elektrisches Signal wandeln, und zweite Mittel zur opto-elektrischen Wandlung vorsehen, die die im Fokus erzeugte Temperaturstrahlung mit einer zweiten von der optischen Wellenlänge abhängigen Empfindlichkeit in ein zweites elektrisches Signal wandeln, wobei die erste von der optischen Wellenlänge abhängige Empfindlichkeit von der zweiten von der optischen Wellenlänge abhängige Empfindlichkeit verschieden ist.
Es kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass es eine Grenzwellenlänge (auch: Trennwellenlänge) gibt, und dass die erste opto-elektronische Wandlung im Wesentlichen lediglich oberhalb dieser Grenzwellenlänge eine von Null verschiedene Empfindlichkeit aufweist, während die zweite opto-elektronische Wandlung im Wesentlichen lediglich unterhalb dieser Grenzwellenlänge eine von Null verschiedene Empfindlichkeit aufweist. Dominiert das erste Signal dabei das zweite Signal, ist es beispielsweise größer als dieses, kann auf ein heißeres Partikel geschlossen werden bzw. auf ein Partikel mit einer höheren Sublimationstemperatur und einer entsprechenden chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse. Dominiert das zweite Signal hingegen das erste Signal, ist es beispielsweise größer als dieses, kann auf ein weniger heißes Partikel geschlossen werden bzw. auf ein Partikel mit einer niedrigeren Sublimationstemperatur und einer entsprechenden chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse.
Es kann vorgesehen sein, dass die ersten Mittel zur opto-elektrischen Wandlung erste optische Komponenten (beispielsweise einen oder mehrere Strahlteiler in Transmission oder Reflektion, einen oder mehrere optische Filter etc.) umfassen und einen ersten Photodetektor umfassen, wobei die ersten optischen Komponenten Temperaturstrahlung mit einer ersten von der optischen Wellenlänge abhängigen Übertragungsfunktion von dem Fokus zu dem ersten Photodetektor übertragen und der erste Photodetektor Licht mit einer ersten von der optischen Wellenlänge abhängigen Detektionsfunktion in ein erstes elektrisches Signal wandelt; und dass die zweiten Mittel zur opto-elektrischen Wandlung zweite optische Komponenten umfassen (beispielsweise einen oder mehrere Strahlteiler in Transmission oder Reflektion, einen oder mehrere optische Filter etc.) und einen zweiten Photodetektor umfassen, wobei die zweiten optischen Komponenten Temperaturstrahlung mit einer zweiten von der optischen Wellenlänge abhängigen Übertragungsfunktion von dem Fokus zu dem zweiten Photodetektor übertragen und der zweite Photodetektor Licht mit einer zweiten von der optischen Wellenlänge abhängigen Detektionsfunktion in ein zweites elektrisches Signal wandelt.
Dabei kann es vorgesehen sein, dass der erste Photodetektor und der zweite Photodetektor zueinander baugleich sind bzw. die gleiche von der optischen Wellenlänge abhängige Detektionsfunktion aufweisen. Es kann sich zum Beispiel um Einzelphotonendetektoren auf Siliziumbasis handeln, zum Beispiel um Single-Photon-Avalanche-Dioden (SPADs).
Insbesondere unterscheiden sich die ersten optischen Komponenten von den zweiten optischen Komponenten hinsichtlich ihrer von der optischen Wellenlänge abhängigen Übertragungsfunktion, ähnlich wie oben mit Hinblick auf die Empfindlichkeiten der opto-elektrischen Wandlungen erläutert. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass es eine Grenzwellenlänge gibt, und dass die ersten optischen Komponenten im Wesentlichen lediglich Temperaturstrahlung oberhalb dieser Grenzwellenlänge zu dem ersten Photodetektor leiten und dass die zweiten optischen Komponenten im Wesentlichen lediglich Temperaturstrahlung unterhalb dieser Grenzwellenlänge zu dem zweiten Photodetektor leiten.
Praktikable konkrete optische Anordnungen können zu diesem Zweck vorsehen, dass die ersten optischen Komponenten und die zweiten optischen Komponenten in zumindest einer der nachfolgenden Beziehungen zueinander stehen:
- Der Partikelsensor weist einen wellenlängenselektiven Strahlteiler auf, wobei der Strahlteiler in Transmission Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der Strahlteiler in Reflexion Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist.
- Der Partikelsensor weist einen wellenlängenselektiven Strahlteiler auf, wobei der Strahlteiler in Reflexion Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der Strahlteiler in Transmission Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist.
- Der Partikelsensor weist einen Strahlteiler auf, wobei der Strahlteiler in Reflexion und ein erstes optisches Filter Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der Strahlteiler in Transmission und ein zweites optisches Filter Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist; wobei das erste optische Filter im Wesentlichen genau die spektralen Anteile der Temperaturstrahlung transmittiert, die das zweite optische Filter absorbiert.
- Der Partikelsensor weist einen Strahlteiler auf, wobei der Strahlteiler in Transmission und ein erstes optisches Filter Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der Strahlteiler in Reflexion und ein zweites optisches Filter Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist, wobei das erste optische Filter im Wesentlichen genau die spektralen Anteile der Temperaturstrahlung transmittiert, die das zweite optische Filter absorbiert.
Selbstverständlichen können neben den ersten Mitteln zur opto-elektrischen Wandlung und den zweiten Mitteln zur opto-elektrischen Wandlung weitere, beispielsweise dritte Mittel zur opto-elektrischen Wandlung vorgesehen sein.
Letztere können dann insbesondere dritte optische Komponenten umfassen und einen dritten Photodetektor umfassen, wobei die dritten optischen Komponenten Temperaturstrahlung mit einer dritten, von der optischen Wellenlänge abhängigen Übertragungsfunktion zu dem dritten Photodetektor übertragen und der dritte Photodetektor Licht mit einer dritten von der optischen Wellenlänge abhängigen dritten Detektionsfunktion in ein drittes elektrisches Signal wandelt, das dann überall dort zusätzlich berücksichtigt werden kann, wo es in dieser Anmeldung lediglich für das erste Signal und das zweite Signal ausdrücklich vermerkt ist.
Entsprechendes gilt selbstverständlich für weitere (vierte, fünfte, ...) Mittel zur opto-elektrischen Wandlung, optische Komponenten, Photodetektoren, Übertragungsfunktionen und Detektionsfunktionen.
In den meisten Fällen ausreichend und besonders effizient und daher bevorzugt ist es anderseits, wenn der Partikelsensor tatsächlich lediglich jeweils genau einen ersten und einen zweiten Photodetektor mit jeweils zugeordneten optischen Komponenten umfasst.
Es kann vorgesehen sein, dass die das optische Spektrum der Temperaturstrahlung betreffende Information mittels einer Recheneinheit des Partikelsensors oder mittels einer mit dem Partikelsensor kommunizierenden Recheneinheit, aus dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal errechnet wird, beispielsweise durch Division des ersten elektrischen Signals durch das zweite elektrische Signal.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Veranschaulichung des auf der laserinduzierten
Inkandeszenz basierenden Messprinzips, das bei der Erfindung verwendet wird, Fig. 2 einen prinzipiellen Aufbau zur Veranschaulichung der Funktionsweise des optischen Partikelsensors,
Fig. 3 beispielhaft einen prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 4 eine erste Ausführungsform der Erfindung, Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, Fig. 6 eine dritte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 7 beispielhaft eine optische Charakteristik eines wellenlängenselektiven Strahlteilers,
Fig.8 die spektrale Leistungs- bzw. Energiedichteverteilung der von Partikeln emittierten Temperaturstrahlung,
Fig. 9a, 9b die spektrale Leistungs- bzw. Energiedichteverteilung der zu den Photodetektoren gelangenden Temperaturstrahlung.
Ausführungsformen
Figur 1 veranschaulicht das auf der laserinduzierten Inkandeszenz basierende Messprinzip. Laserlicht 10 hoher Intensität trifft auf ein Partikel 12, beispielsweise ein Rußpartikel. Die Intensität des Laserlichts 10 ist so hoch, dass die vom Partikel 12 absorbierte Energie des Laserlichtes 10 das Partikel 12 auf mehrere Tausend Kelvin erhitzt. Als Folge der Erhitzung emittiert das Partikel 12 spontan und im Wesentlichen ohne Vorzugsrichtung signifikant Strahlung in Form von Temperaturstrahlung 14. Ein Teil der in Form von Temperaturstrahlung 14 emittierten Strahlung wird daher auch entgegen der Einfallsrichtung des Laserlichtes 10 zurück emittiert.
Figur 2 zeigt schematisch einen prinzipiellen Aufbau zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Partikelsensors 16. Der Partikelsensor 16 weist hier einen als CW-Lasermodul (CW: continuous wave; Dauerstrich) ausgebildeten Laser 18 auf, dessen bevorzugt kollimiertes Laserlicht 10 mit wenigstens einer im Strahlengang des Lasers 18 angeordneten Sammellinse 20 auf einen sehr kleinen Fokus 22 fokussiert wird, in dem die Intensität des Laserlichts 10 für laserinduzierte Inkandeszenz ausreichend hoch ist. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines CW-Lasers beschränkt. Es ist grundsätzlich auch denkbar, gepulst betriebene Laser zu verwenden. Die Abmessungen des Fokus 22 liegen im Bereich einiger pm, sodass den Fokus 22 durchquerende Partikel 12 zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen durch laserinduzierte Inkandeszenz angeregt werden. Als Folge kann bei nicht zu hoher Partikelkonzentration im Messgas 32 davon ausgegangen werden, dass sich fast immer höchstens ein Partikel 12 in dem Fokus 22 befindet und dass ein momentanes Messsignal des Partikelsensors 16 nur von diesem höchstens einen Partikel 12 stammt. Das Messsignal wird von einem Detektor 26 erzeugt, der im Partikelsensor 16 so angeordnet ist, dass er vom den Fokus 22 durchfliegenden Partikel 12 ausgehende Strahlung 14, insbesondere Temperaturstrahlung 14, detektiert. Der Detektor 26 weist dazu beispielsweise einen ersten Photodetektor 26.1 und einen zweiten Photodetektor 26.2 auf, wobei entweder die beiden Photodetektoren 26.1, 26.2 selbst eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen (Detektionsfunktionen 51, 52) oder das quantitative Maß der Übertragung der Temperaturstrahlung 14 von dem Fokus zu den beiden Photodetektoren (Übertragungsfunktionen v1, v2) eine unterschiedliche spektrale Charakteristik aufweist. Damit wird es über eine Einzelpartikelmessung hinaus möglich, eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung 14 betreffende Information zu gewinnen, auf deren Basis die Extraktion von Informationen über das Partikel 12 wie Temperatur und chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse möglich ist.
Figur 3 zeigt beispielhaft einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Partikelsensors 16 als Abgassensor. Der Partikelsensor 16 weist einen Laser 18 auf, der bevorzugt kollimiertes Laserlicht 10 erzeugt. Im Strahlengang des Laserlichtes 10 befindet sich ein wellenlängenselektiver (z.B. dichroitischer) Strahlteiler 34. Das den wellenlängenselektiven Strahlteiler 34 mit Umlenkung durchlaufende Laserlicht 10 wird durch die Sammellinse 20 zu einem sehr kleinen Fokus 22 fokussiert. In diesem Fokus 22 ist die Lichtintensität hoch genug, um die mit dem Abgas 32 transportierten Partikel 12 auf mehrere Tausend Kelvin zu erhitzen, so dass die erhitzten Partikel 12 signifikant Strahlung in Form von Temperaturstrahlung 14 emittieren. Diese 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 emittierten Temperaturstrahlung 14 wird von der Sammellinse 20 erfasst und nach Transmission durch den wellenlängenselektiven Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 gerichtet. Zwischen dem wellenlängenselektiven Strahlteiler 34 und dem Detektor 26 kann eine weitere Linse 21 angeordnet werden, die die Temperaturstrahlung 14 auf den Detektor 26 fokussiert, und kann ein optisches Filter 43 angeordnet werden, das zurückgestreutes und durch den wellenlängenselektiven Strahlteiler 34 transmittiertes Laserlicht 10 nochmals selektiv stark abschwächt, sodass es nicht zu dem Detektor 26 gelangen kann. Der Detektor 26 kann, wie mit Bezug auf Figur 2 erläutert, einen ersten Photodetektor 26.1 und einen zweiten Photodetektor 26.2 und optional weitere Photodetektoren (nicht gezeichnet) aufweisen.
Der beschriebene Aufbau hat den Vorteil, dass nur ein optischer Zugang 40 zum Abgas 32 benötigt wird, da die gleiche Optik, insbesondere die gleiche Sammellinse 20, für die Erzeugung des Fokus 22 und für das Erfassen der vom Partikel 12 ausgehenden Temperaturstrahlung 14 benutzt wird.
Der Laser 18 weist eine Laserdiode 36 und eine zweite Linse 38 auf, die das von der Laserdiode 36 ausgehende Laserlicht 10 bevorzugt kollimiert. Der Einsatz der Laserdiode 36 stellt eine besonders kostengünstige und einfach handhabbare Möglichkeit der Erzeugung von Laserlicht 10 dar. Das bevorzugt kollimierte Laserlicht 10 wird durch die Sammellinse 20 fokussiert.
Der optische Partikelsensor 16 weist einen dem Abgas 32 ausgesetzten ersten Teil 16.1 (Abgasseite) und einen dem Abgas nicht ausgesetzten zweiten Teil 16.2 (Reingasseite) auf, der die optischen Komponenten des Partikelsensors 16 enthält. Beide Teile sind durch eine Trennwand 16.3, die beispielsweise Teil des Gehäuses 72 des Partikelsensors 16 ist, und durch den optischen Zugang 40 gasdicht voneinander getrennt.
Der in der Figur 3 gezeigte optische Partikelsensor 16 ist beispielsweise in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine montierbar, beispielsweise mittels eines am Gehäuse 72 ausgebildeten Gewindes 17 und durch Rotation des Partikelsensors 16 um die Längsachse 100 des Gehäuses 72 bzw. des Partikelsensors 16.
An dem Gehäuse 72 sind zwei ineinander angeordnete Schutzhülsen 71 fixiert, die der Abgasleitung eine Teilströmung entnehmen und dem Fokus 22 zuführen. Es werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 4, 5 und 6 drei Ausführungsformen der Erfindung erläutert, bei denen Temperaturstrahlung 14 von dem Fokus 22 über einen ersten Strahlengang, in dem sich erste optische Komponenten befinden, zu einem ersten Photodetektor 26.1 gelangt, und bei denen Temperaturstrahlung 14 von dem Fokus 22 über einen zweiten Strahlengang, in dem sich zweite optische Komponenten befinden, zu einem zweiten Photodetektor 26.2 gelangt. Die ersten optischen Komponenten weisen beispielsweise insgesamt eine erste von der optischen Wellenlänge l abhängige Übertragungsfunktion v1 auf, mit der sie die Temperaturstrahlung 14 von dem Fokus 22 zu dem ersten Photodetektor 26.1 übertragen, und die zweiten optischen Komponenten weisen beispielsweise insgesamt eine zweite von der optischen Wellenlänge l abhängige Übertragungsfunktion v2 auf, mit der sie die Temperaturstrahlung 14 von dem Fokus 22 zu dem zweiten Photodetektor 26.2 übertragen.
Gemäß der in Figur 4 gezeigten ersten Ausführungsform der Erfindung ist im Strahlengang der Temperaturstrahlung 14 ein weiterer wellenlängenselektiver Strahlteiler 37 angeordnet. Er hat beispielsweise die in der Figur 7 gezeigte optische Charakteristik, d.h. er transmittiert im Wesentlichen nur Licht der Wellenlänge l kleiner 650 nm (gestrichelte Linie) und er reflektiert im Wesentlichen nur Licht der Wellenlänge l größer 650 nm (gepunktete Linie). Die Wellenlänge l = 650 nm ist insofern eine Grenzwellenlänge l9 der Anordnung.
Die Einschränkung „im Wesentlichen“ meint hierbei insbesondere, dass der wellenlängenselektive Strahlteilers 37 lediglich in einem kleinen Wellenlängenintervall um die Grenzwellenlänge l9 herum (zum Beispiel +/- 50nm) Reflexionen und Transmission aufweisen kann, die nicht 0% oder 100% betragen, sondern beispielsweise zwischen 3% und 97% liegen können.
Die durch den weiteren wellenlängenselektiven Strahlteiler 37 transmittierte Temperaturstrahlung 37 fällt auf den ersten Photodetektor 26.1 und die an dem weiteren wellenlängenselektiven Strahlteiler 37 reflektierte Temperaturstrahlung 37 fällt auf den zweiten Photodetektor 26.2.
Die spektrale Leistungs-/Energiedichteverteilung I als Funktion der Wellenlänge l der Temperaturstrahlung 14 eines Partikels 12 ist in der Figur 8 dargestellt und ist näherungsweise durch das Planck’sche Strahlungsgesetz gegeben. Die spektrale Leistungs-/Energiedichteverteilung I, die von einem Partikel 12 der Temperatur 4200 K emittiert wird, ist in der Figur 8 durch die durchgezogene Linie wiedergegeben. Die spektrale Leistungs-/Energiedichteverteilung I, die von einem Partikel 12 der Temperatur 3300 K emittiert wird, ist in der Figur 8 durch die gepunktete Linie wiedergegeben.
Das Maximum der spektralen Leistungs-/Energiedichteverteilung I liegt bei umso kleinerer Wellenlänge l (umso größerer optischer Frequenz f) je heißer das Partikel 12 ist. Mit zunehmender Temperatur steigt auch die von einem Partikel 12 insgesamt emittierte Leistung/Energie der Temperaturstrahlung. Ein Rückschluss von der insgesamt emittierten Leistung/Energie der Temperaturstrahlung 14 auf die Partikeltemperatur ist allerdings ohne weiteres nicht möglich, da die von einem Partikel 12 insgesamt emittierte Leistung/Energie der Temperaturstrahlung 14 auch von der Partikelgröße abhängt.
In der Figur 9a ist für den Fall einer Temperaturstrahlung 14, die in einem der Figur 4 entsprechenden Aufbau von einem Partikel 12 der Temperatur 4200 K emittiert wird, neben der Leistungs-/Energiedichteverteilung I der gesamten Temperaturstrahlung 14 (durchgezogene Linie) die Leistungs- /Energiedichteverteilung I der Temperaturstrahlung 14, die den ersten Photodetektor 26.1 erreicht (gestrichene Linie) und die Leistungs- /Energiedichteverteilung I der Temperaturstrahlung 14, die den zweiten Photodetektor 26.2 erreicht (gepunktete Linie), dargestellt.
Der erste Photodetektor 26.1 liefert somit nun das erste elektrische Signal mit pl 42ook( ) = A 00/A )
Figure imgf000014_0001
F1(X), wobei ΐ ook(l) das
Leistungs-/Energiedichteverteilung der Temperaturstrahlung des 4200K heißen Partikels ist und F1(Ä) die erste Empfindlichkeit, nämlich das Produkt der ersten Übertragungsfunktion vl(A) mit der ersten Detektionsfunktion 51(A), ist.
Entsprechend liefert der zweite Photodetektor 26.2 das zweite elektrische Signal mit />242OOK( )
Figure imgf000014_0002
= ΐ ook(l ) F2(Ä), wobei F2(Ä) die zweite Empfindlichkeit, nämlich das Produkt der zweiten Übertragungsfunktion v2(A) mit der zweiten Detektionsfunktion 52(A), ist.
Amin und Amax geben dabei die Grenzen an, in denen die Photodetektoren 26.1 und 26.2 eine von Null verschiedene Empfindlichkeit (Detektionsfunktionen 51(A) bzw. 52(1)) aufweisen. Imin ist beispielsweise 350 nm und Xmax ist beispielsweise 1000 nm für den Fall von Einzelphotonendetektoren auf Siliziumbasis.
In der Figur 9b ist für den Fall einer Temperaturstrahlung 14, die in einem der Figur 4 entsprechenden Aufbau von einem Partikel 12 der Temperatur 3300 K emittiert wird, neben der Leistungs-/Energiedichteverteilung I der gesamten Temperaturstrahlung 14 (durchgezogene Linie) die Leistungs- /Energiedichteverteilung I der Temperaturstrahlung 14, die den erste Photodetektor 26.1 erreicht (gestrichene Linie) und die Leistungs- /Energiedichteverteilung I der Temperaturstrahlung 14, die den zweiten Photodetektor 26.2 erreicht (gepunktete Linie) dargestellt.
Analog zu oben ermittelt man SI3300K und S23300K.
Durch eine mit den beiden Photodetektoren 26.1, 26.2 verbundene, nicht gezeichnete Recheneinheit, kann bei beiden Partikeltemperaturen jeweils der Quotient aus S1 und S2 bestimmt werden: QXK = S1XK/S2XK.
Beispielsweise erhält man für Q4200K näherungsweise den Wert 0,45 und für Q3300K näherungsweise den Wert 0,33.
Wie ersichtlich, ist der Wert QXK eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung 14 betreffende Information. Er ist umso größer, je heißer der die Temperaturstrahlung 14 emittierende Partikel 12 ist. Es kann ferner (ggf. nach Kalibrierung des Partikelsensors 16) von dem Wert QXK auf die Temperatur des Partikels 12 zurückgeschlossen werden.
Wird unterstellt, dass die Partikel 12, die in dem Partikelsensor 16 detektiert werden, im Fokus 22 ihre Sublimationstemperatur annehmen und eine gewisse Zeit beibehalten, so kann von der ermittelten Temperatur anhand von den in der Recheneinheit hinterlegten Daten auf die chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse des Partikels 12 zurückgeschlossen werden. So ist es bekannt und kann hinterlegt sein, dass die Sublimationstemperatur von Kohlenstoff, beispielsweise Ruß, 4200 K beträgt und die Sublimationstemperatur von Eisenoxid 3300 K beträgt. Insofern kann beispielsweise die Temperaturstrahlung, deren Energie-/Leistungsdichtespektrum in der Figur 8 als durchgezogene Linie wiedergegeben ist, von einem Rußpartikel ausgehen, und die Temperaturstrahlung, deren Leistungsdichtespektrum in der Figur 8 als gepunktete Linie wiedergegeben ist, kann von einem Eisenoxidpartikel ausgehen.
Natürlich kann in der Recheneinheit eine Vielzahl von Sublimationstemperaturen jeweils einer chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse zugeordnet sein, bzw. verschiedenen Werten von QXK jeweils eine chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse zugeordnet sein. Wird eine entsprechende Temperatur eines Partikels 12 festgestellt bzw. ein entsprechender Quotient QXK festgestellt, so kann geschlossen werden, dass das detektierte Partikel 12 aus der zugeordneten chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse besteht.
Gemäß der in Figur 5 gezeigten zweiten Ausführungsform der Erfindung ist ein (beispielsweise nicht wellenlängenselektiver) Strahlteiler 35 vorgesehen, der die Temperaturstrahlung 14 weitgehend unabhängig von ihrer optischen Frequenz f bzw. Wellenlänge l in zwei Teilstrahlen aufteilt, indem er einen reflektiert und einen transmittiert. Die durch den Strahlteiler 35 transmittierte Temperaturstrahlung 14 passiert einen ersten optischen Filter 41 , dessen Transmission der gestrichelten Kurve in Figur 7 entspricht, und fällt dann auf den ersten Photodetektor 26.1. Die an dem Strahlteiler 35 reflektierte Temperaturstrahlung 14 passiert einen zweiten optischen Filter 42, dessen Transmission der gepunkteten Kurve in Figur 7 entspricht, und fällt dann auf den zweiten Photodetektor 26.2.
Die Weiterverarbeitung der mit den beiden Photodetektoren 26.1, 26.2 gewonnenen Signale S1, S2 erfolgt beispielsweise sinngemäß wie oben mit Hinblick auf die erste Ausführungsform und mit Bezug auf Figur 4 erläutert.
Die in der Figur 6 gezeigte dritte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der in Figur 5 gezeigten zweiten Ausführungsform der Erfindung darin, dass das Laserlicht 10 nach Einkopplung in den Strahlengang durch Reflektion an dem wellenlängenselektiven Strahlteiler 34 an dem weiteren wellenlängenselektiven Strahlteiler 37 reflektiert wird, bevor es mit der Linse 20 in dem Fokus 22 gebündelt wird. Die ohne Wechselwirkung mit dem wellenlängenselektiven Strahlteiler 35 durch den weiteren wellenlängenselektiven Strahlteiler 37 transmittierte Temperaturstrahlung 14 fällt nach Fokussierung an der ersten weiteren Linse 21.1 auf den ersten Photodetektor 26.1; die durch den wellenlängenselektiven Strahlteiler 34 transmittierte Temperaturstrahlung 14 fällt hingegen nach Fokussierung an der zweiten weiteren Linse 21.2 auf den zweiten Photodetektor 26.2.
Die Weiterverarbeitung der mit den beiden Photodetektoren 26.1, 26.2 gewonnenen Signale S1, S2 erfolgt beispielsweise ebenfalls sinngemäß wie oben mit Hinblick auf die erste und zweite Ausführungsform und mit Bezug auf die Figuren 4 und 5 erläutert.
In allen Ausführbeispielen hängt die Wahl der Grenzwellenlänge XG (im Beispiel war G = 650 nm) von der konkreten Zielsetzung und den Randbedingungen der Partikeldetektion ab.
Wird eine möglichst sichere Unterscheidung der verschiedenen chemischen Zusammensetzungen oder Stoffklassen der Partikel 12 gewünscht, wird die Grenzwellenlänge XG SO gewählt, dass sich die ergebenden Quotienten QXK für die zu erwarteten chemischen Zusammensetzungen oder Stoffklassen maximal unterscheiden.
Wird hingegen eine möglichst hohe Sensitivität des Partikelsensors 16 auch für kleine und somit lichtschwache Partikel 12 benötigt, wird die Grenzwellenlänge XG mit Blick auf diejenige chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse optimiert, die die geringere Sublimationstemperatur aufweist. Dahinter verbirgt sich die Überlegung, dass Partikel 12 mit höheren Sublimationstemperatur grundsätzlich mehr Temperaturstrahlung 14 emittieren, folglich größere elektrische Signale erzeugen und somit leichter zu detektieren sind. Partikel 12 mit geringerer Sublimationstemperatur emittieren hingegen grundsätzlich weniger Temperaturstrahlung 14 und sind daher tendenziell schwerer zu detektieren, besonders wenn sie klein sind.
Eine vorteilhafte Strategie ist es daher in diesem Fall, die Grenzwellenlänge XG so zu wählen, dass sich die gesamte Leitung bzw. Energie der Temperaturstrahlung 14 möglichst gleichteilig auf die beiden Photodetektoren 26.1, 26.2 verteilt, bzw. auf alle Photodetektoren 26.1, 26.2 im Fall von mehr als zwei Photodetektoren 26.1, 26.2. Über die Kopplung (z.B. Summenbildung) der Signale S1, S2 beider/aller Photodetektoren 26.1, 26.2 kann ein Gesamtsignal mit optimiertem Signal/Rauschverhältnis generiert werden, da das Rauschen der Signale S1, S2 beider/aller Photodetektoren 26.1, 26.2 als zueinander unkorreliert - oder, infolge der Strahlteilung und der Quantennatur des Lichts, sogar teilweise anti korreliert - angenommen werden kann.
Dieses Gesamtsignal kann beispielsweise dazu benutzt werden, zu detektieren, dass sich (unabhängig von der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung 14 betreffenden Information) überhaupt ein Partikel 12 im Fokus 22 befindet und
Temperaturstrahlung 14 emittiert. Eine weitere Auswertung der von diesem Partikel 12 emittierten Temperaturstrahlung 14 hinsichtlich einer das optische Spektrum betreffenden Information kann dann logisch und/oder zeitlich nachgeordnet vorgenommen werden.

Claims

Ansprüche
1. Partikelsensor zum Nachweis von Partikeln (12) in einem Messgas, insbesondere im Abgas (32) einer Brennkraftmaschine, mittels laserinduzierter Inkandeszenz, wobei der Partikelsensor (16) Mittel zur Erzeugung (18) und/oder zur Zuführung von Laserlicht (10) aufweist und Mittel zur Fokussierung (20) des Laserlichts (10) in einem Fokus (22) aufweist und Mittel zur Detektion (26) von durch laserinduzierte Inkandeszenz im Fokus (22) erzeugter Temperaturstrahlung (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Detektion (26) eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffende Information zu detektieren vermögen.
2. Partikelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Detektion (26) erste Mittel zur opto-elektrischen Wandlung vorsehen, die die Temperaturstrahlung (14) mit einer ersten von der optischen Wellenlänge (l) abhängigen Empfindlichkeit (F1) in ein erstes elektrisches Signal (S1) wandeln; und dass die Mittel zur Detektion (26) zweite Mittel zur opto- elektrischen Wandlung vorsehen, die die Temperaturstrahlung (14) mit einer zweiten von der optischen Wellenlänge (l) abhängigen Empfindlichkeit (F2) in ein zweites elektrisches Signal (S2) wandeln.
3. Partikelsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Grenzwellenlänge (l9) gibt, oberhalb von der die Empfindlichkeit (F1) der ersten Mittel zur opto-elektrischen Wandlung größer ist als die Empfindlichkeit (F2) der zweiten Mittel zur opto-elektrischen Wandlung und unterhalb von der die Empfindlichkeit (F1) der ersten Mittel zur opto- elektrischen Wandlung (F2) kleiner ist als die Empfindlichkeit der zweiten Mittel zur opto-elektrischen Wandlung.
4. Partikelsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel zur opto-elektrischen Wandlung erste optische Komponenten umfassen und einen ersten Photodetektor (26.1) umfassen, wobei die ersten optischen Komponenten Temperaturstrahlung (14) mit einer ersten von der optischen Wellenlänge (l) abhängigen Übertragungsfunktion (v1) von dem Fokus (22) zu dem ersten Photodetektor (26.1) übertragen und der erste Photodetektor (26.1) Temperaturstrahlung (14) mit einer ersten von der optischen Wellenlänge (l) abhängigen Detektionsfunktion (51) in ein erstes elektrisches Signal (S1) wandelt; und dass die zweiten Mittel zur opto- elektrischen Wandlung zweite optische Komponenten umfassen und einen zweiten Photodetektor (26.2) umfassen, wobei die zweiten optischen Komponenten Temperaturstrahlung (14) mit einer zweiten von der optischen Wellenlänge (l) abhängigen Übertragungsfunktion (v2) von dem Fokus (22) zu dem zweiten Photodetektor (26.2) übertragen und der zweite Photodetektor (26.2) Temperaturstrahlung (14) mit einer zweiten von der optischen Wellenlänge (l) abhängigen Detektionsfunktion (52) in ein zweites elektrisches Signal (S2) wandelt.
5. Partikelsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten optischen Komponenten und die zweiten optischen Komponenten in zumindest einer der nachfolgenden Beziehungen zueinander stehen:
- Der Partikelsensor (16) weist einen wellenlängenselektiven Strahlteiler (34) auf, wobei der wellenlängenselektive Strahlteiler (34) in Transmission Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der wellenlängenselektive Strahlteiler (34) in Reflexion Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist.
- Der Partikelsensor (16) weist einen wellenlängenselektiven Strahlteiler (34) auf, wobei der wellenlängenselektive Strahlteiler (34) in Reflexion Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der wellenlängenselektive Strahlteiler (34) in Transmission Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist.
- Der Partikelsensor (16) weist einen Strahlteiler (35) auf, wobei der Strahlteiler (35) in Reflexion und ein erstes optisches Filter (41) Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der Strahlteiler (35) in Transmission und ein zweites optisches Filter (42) Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist; wobei das erste optische Filter (41) im Wesentlichen genau die spektralen Anteile der Temperaturstrahlung (14) transmittiert, die das zweite optische Filter (42) absorbiert.
- Der Partikelsensor (16) weist einen Strahlteiler (35) auf, wobei der Strahlteiler (35) in Transmission und ein erstes optisches Filter (41) Bestandteil der ersten optischen Komponenten ist und der Strahlteiler (35) in Reflexion und ein zweites optisches Filter (42) Bestandteil der zweiten optischen Komponenten ist, wobei das erste optische Filter (41) im Wesentlichen genau die spektralen Anteile der Temperaturstrahlung (14) transmittiert, die das zweite optische Filter (42) absorbiert.
6. Partikelsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Photodetektor (26.1) und der zweite Photodetektor (26.2) zueinander baugleich sind.
7. Partikelsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Recheneinheit aufweist, die aus dem ersten elektrischen Signal (S1) und dem zweiten elektrischen Signal (S2) die das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffende Information zu bestimmen vermag.
8. Partikelsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit aus der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffenden Information die Temperatur eines Partikels (12) zu bestimmen vermag.
9. Partikelsensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit auf Basis der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffenden Information und/oder auf Basis der Temperatur des Partikels (12) das Partikel (12) einer chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse zuzuordnen vermag.
10. Partikelsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse Kohlenstoff, beispielsweise Ruß, und/oder Eisen, Calcium, Magnesium, Zink, Phosphor oder Schwefel, ein hieraus gebildetes Oxid, Sulfat oder Phosphat, zum Beispiel ein Metalloxid, insbesondere Eisenoxid, ist.
11. Verfahren zur Detektion von Partikeln (12) und zur Bestimmung der Temperatur der Partikel (12) und/oder zur Zuordnung der Partikel (12) zu einer chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse mit einem Partikelsensor (16) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Laserlicht (10) erzeugt oder zugeführt wird, wobei das Laserlicht (10) in einem Fokus (22) fokussiert wird, wobei durch laserinduzierte Inkandeszenz im Fokus (22) erzeugte Temperaturstrahlung (14) detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffende Information detektiert wird, und dass aus der das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffenden Information die Temperatur des Partikels (12) bestimmt wird und/oder das Partikel (12) einer chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse zugeordnet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 mit einem Partikelsensor (16) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit den ersten Mitteln zur opto-elektrischen Wandlung die Temperaturstrahlung (14) in ein erstes elektrisches Signal (S1) gewandelt wird, dass mit den zweiten Mitteln zur opto-elektrischen Wandlung die Temperaturstrahlung (14) in ein zweites elektrisches Signal (S2) gewandelt wird und dass aus dem ersten elektrischen Signal (S1) und dem zweiten elektrischen Signal (S2) die das optische Spektrum der Temperaturstrahlung (14) betreffende Information bestimmt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient (Q) aus dem ersten Signal (S1) und dem zweiten Signal (S2) gebildet wird und dass das Partikel (S2) in Abhängigkeit von dem Quotient (Q) einer von zwei der mehr chemischen Zusammensetzungen oder Stoffklassen zugeordnet wird; beispielsweise dass das Partikel (12) einer ersten chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse zugeordnet wird, wenn der Quotient (Q) kleiner ist als ein Grenzwert und/oder dass das Partikel (12) einer zweiten chemischen Zusammensetzung oder Stoffklasse zugeordnet wird, wenn der Quotient (Q) größer ist als der/ein Grenzwert.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse Kohlenstoff, beispielsweise Ruß, ist und die zweite chemische Zusammensetzung oder Stoffklasse Eisen, Calcium, Magnesium, Zink, Phosphor, Schwefel, ein hieraus gebildetes Oxid, Sulfat oder Phosphat, zum Beispiel ein Metalloxid, insbesondere Eisenoxid, ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14 mit einem Partikelsensor (16) nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der auf den ersten Photodetektor (26.1) fallenden Temperaturstrahlung (14) und die Leistung der auf den zweiten Photodetektor (26.2) fallenden Temperaturstrahlung (14) im Mittel gleich sind oder in einem Verhältnis zwischen 0,5 und 2 zueinander stehen.
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