WO2023170133A1 - Verfahren zum bestimmen einer partikelverteilung - Google Patents

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WO2023170133A1
WO2023170133A1 PCT/EP2023/055869 EP2023055869W WO2023170133A1 WO 2023170133 A1 WO2023170133 A1 WO 2023170133A1 EP 2023055869 W EP2023055869 W EP 2023055869W WO 2023170133 A1 WO2023170133 A1 WO 2023170133A1
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particle
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correction
frequency
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PCT/EP2023/055869
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Hans SPRUIT
Okke Ouweltjes
Alexander Marc Van Der Lee
Robert Weiss
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Trumpf Photonic Components Gmbh
Robert Bosch Gmbh
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    • G01N2015/1493—Particle size

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a particle distribution in a particle stream using a laser device that has a semiconductor laser.
  • the invention further relates to a computer program product that contains the steps of such a method and a laser device for carrying out the method.
  • the background of the invention is the detection of PM1, PM2.5 and PM10 values, whereby the detection is carried out based on the particle mass in ⁇ g/m 3 for particle sizes below 1, 2.5 or 10 micrometers
  • WO 2017017282 A1 discloses a method for deriving particle sizes from measured signals.
  • a laser sensor module for particle size detection is described.
  • the laser sensor module includes at least a first laser, at least a first detector, at least one electrical driver and at least one evaluation device.
  • the first laser is adapted to emit first laser light in response to signals provided by the at least one driver.
  • PM1, PM2.5 and PM10 levels To accurately determine PM1, PM2.5 and PM10 levels, a good estimate of the particle size detected is required. Although larger particles generally lead to longer detection times and/or larger detection amplitudes, large particles often also produce very weak signals. This is the case when a particle passes through an edge region of the laser beam emitted for detection.
  • Strong and weak signals are to be understood in the sense of a signal-to-noise ratio, in which the power of a useful signal is in relation to the noise.
  • the object solved by the present invention is to provide a method that enables a more precise determination of a particle distribution in a particle stream.
  • the diameter correction achieves a diameter-dependent correction of the specific particle diameters. This is particularly advantageous because the backscattering of the laser light depends on the wavelength of the laser light and the particle diameters. Since the wavelength is constant or is varied within only a narrow band in the preferably infrared range and the particle diameter is not influenced under real conditions, the dependence on the wavelength of the laser light and the particle diameter must be taken into account by the diameter correction.
  • diameter list different classes of particle diameters are listed in histogram form, in which the frequency of occurrence of each of the particle diameters in the particle stream is listed, preferably during a measurement period.
  • the frequency correction makes it possible to approximate the frequency distribution that actually exists in the particle stream. For this purpose, in particular, frequency values of particle diameters that are created in the correction list can be subtracted from the frequency distribution.
  • the detection can be carried out by the semiconductor laser component itself and/or by an additional photodiode.
  • the particle diameter is advantageously determined depending on a measurement duration and a flow velocity of the particles.
  • the particle diameter can be determined according to d ⁇ SNR 0.5 t 1.5 v 2 , where v is the flow velocity, t is the measurement duration, SRN is the signal strength value and d is the particle diameter.
  • the flow speed can be determined using GPS data, data from a weather service and/or data from a measurement with the laser device and/or an additional sensor device. Alternatively or additionally, a periodic frequency modulation can be imposed on the laser light so that a speed of the particles that pass through the laser light can be determined.
  • a special development includes that the diameter correction is carried out for particle diameters ⁇ 1 micrometer.
  • the correction list is created by saving the frequency distribution of the particle diameters that are smaller than a representative particle diameter from the diameter list. The correction list is created from the particle diameters that do not correspond to the representative particle diameter.
  • the frequency correction using the correction list can reduce the frequency of particle diameters that are smaller than the representative particle diameter. This does not reduce the frequency of the representative particle diameter, so that it can be assumed that the actual frequency of a particle diameter in the particle stream that corresponds to the representative particle diameter is not less than the frequency of the uncorrected representative particle diameter.
  • the correction list increases the frequency of the representative particle diameter.
  • the frequency of the representative particle diameter is increased by the number of particles that have a smaller particle diameter than the representative particle diameter.
  • the number of different diameters in the diameter list specifies the repetitions of the frequency corrections to the diameter list, whereby the largest particle diameter in the diameter list is selected as the representative particle diameter for the first frequency correction and the smallest particle diameter in the diameter list is selected as the representative diameter for the last frequency correction becomes.
  • the frequency of the particle diameter is corrected, which is chosen as the representative particle diameter.
  • the correction list can only be determined once for a representative diameter that corresponds to the largest diameter in the diameter list, with this correction list being used for all frequency corrections.
  • the correction list can be determined at the factory for a typical particle distribution and stored in a memory associated with the laser device. In an alternative, the correction list can be determined at the beginning of the correction iteration steps at the largest representative particle diameter and then stored in the memory for all subsequent ones Correction iteration steps to be used.
  • a vertical cavity surface emitting laser is preferably used as the semiconductor laser.
  • Such a VCSEL can be used to receive the light reflection through the semiconductor laser, the light reflection generating a self-mixing interference within the semiconductor laser, which is evaluated by the evaluation device.
  • the semiconductor laser can therefore also serve as a sensor.
  • the evaluation unit In order to be able to assess the particle distribution in the particle stream according to standardized criteria, the evaluation unit generates a data set about the particle distributions in accordance with the fine dust standards PM1, PM2.5 and PM10.
  • the airborne particles in PM10 are particles with a diameter of less than or equal to 10 ⁇ m.
  • PM1 (diameter ⁇ 1 ⁇ m) and PM2.5 (diameter ⁇ 2.5 ⁇ m) are included in PM10, but can be output by the evaluation unit in its own data sets.
  • the laser device can contain a micromechanical mirror, by means of which a flow velocity of the particle stream through the laser device can be measured by deflecting the laser light in a periodic manner through the micromechanical mirror.
  • a flow velocity of the particle stream through the laser device can be measured by deflecting the laser light in a periodic manner through the micromechanical mirror.
  • This allows a particularly precise determination of the particle diameter to be achieved. It is particularly preferred to carry out the measurements using Fourier algorithms, the measurement duration being predetermined by the block size of the Fourier algorithm.
  • the optimal block size can be determined by a sequence of Fourier algorithms and inverse Fourier algorithms.
  • FIG. 1 shows a laser device with a semiconductor laser for determining a particle distribution in a particle stream
  • 2a is a histogram of a frequency distribution of signal strength values that were generated by light reflections of an illuminated particle stream
  • 2b shows a schematic cross section through a laser beam with an inhomogeneous light intensity profile
  • 4 is a diagram showing a relationship between the signal-to-noise ratio on the Y-axis and a measurement duration
  • 5 shows a histogram of a frequency distribution of particle diameters
  • 6 is a diagram of the diameter-dependent backscattering of the light reflection
  • FIG. 10 shows a smartphone for carrying out the method according to the invention.
  • a method according to the invention for determining a particle distribution in a particle stream 10 with a flow velocity 11 is carried out using a laser device 12, which is shown in FIG.
  • the laser device 12 has a semiconductor laser 14 that emits a laser light 16.
  • the propagation axis of the laser light 16 forms an angle with the surface of the half-liter laser, which enables advantageous detection of the particles 18 in the particle stream 10.
  • the angle can be larger or smaller than 90°.
  • the flow velocity 11 and the propagation axis form an angle that is not 90°.
  • the propagation axis can be an optical axis of the semiconductor laser 14 or an optical element of the laser device 12.
  • the semiconductor laser 14 is designed as a so-called VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), whose laser light 16 is reflected on particles 18 in the particle stream 10.
  • the flow velocity is 11 or more effective Portion of the flow velocity 11, aligned perpendicular to the propagation direction of the laser light 16.
  • the light reflection 20 of a single particle 18 is shown as an example. Basically, every particle 18 that passes through the laser light 16 produces a light reflection 20.
  • the semiconductor laser 14 is connected to an evaluation unit 22, which is used to evaluate the self-mixing interference that was generated by the received light reflection 20.
  • the evaluation unit 22 evaluates a reflection signal of the self-mixing interference with regard to a frequency distribution of the signal strength values.
  • semiconductor lasers 14 can also be used, which, for example, use a photosensor to detect the light reflection 20 and make it available for evaluation.
  • a frequency distribution of signal strength values according to FIG. 2a) must be determined, whereby the X-axis 26 in the diagram of FIG - indicates the noise ratio.
  • the frequency of the respective signal strength value is shown purely as an example in the diagram in FIG. 2 in classes of 5 dB.
  • the frequency of a poor signal-to-noise ratio is highest and essentially decreases as the quality of the signal increases.
  • a determination was made for a particle size of, for example, 0.4 micrometers.
  • the frequency distribution of the signal strength values for particles 18 of other sizes is similar if the particle density in the particle stream 10 examined is the same.
  • the signal strength and thus the signal-to-noise ratio are influenced by an inhomogeneous intensity profile 30 of the laser light 16 running transversely to the direction of propagation of the laser light 16, as shown schematically for an exemplary laser mode in FIG. 2b). If a particle 18 passes through an area 32 of the laser light 16 that has a high light intensity, then a strong light reflection 20 and thus a high signal-to-noise ratio is generated. Furthermore, the strength of the light reflection 20 also depends on the particle diameter, since a large particle 18 offers a larger area for reflection of the laser light 16.
  • a particle 18 with a first particle diameter passing through the region 32 with high light intensity can generate a signal-to-noise ratio of the same size as one passing through the region 34 with weaker light intensity Particle 18 with a second particle diameter that is larger than the first particle diameter.
  • the detection rate can be expressed in pg/m3. As the particle diameter increases, the detection rate decreases over a practical measurement period, which indicates a reduced sensitivity of the laser device.
  • the sensitivity for very small diameters, for example less than 1 micrometer, is also low.
  • the detection rate drops abruptly from a maximum value to an indeterminate th value.
  • the points represent measuring points 40, which are connected to one another by an extrapolation curve 42.
  • Fig. 4 a relationship between the signal-to-noise ratio on the Y-axis 43 and a measurement duration on the X-axis 44 is shown in a diagram.
  • the Y-axis 43 has a logarithmic scaling.
  • the measurement duration can be the Fourier transform block size, which is related to a sampling time or sampling rate.
  • the diagram shows a family of curves that are obtained from reflection signals from self-mixing interference using Fourier transformations.
  • Each curve 46, 47, 48, 49, 50, 51 of the family of curves represents a specific passage position of a particle 18 with a constant particle diameter through the laser beam of laser light 16.
  • the curve 46 represents a particle 18 that passes through a region of the laser beam that has a low light intensity and thus a low light reflection 20. It can be seen that curve 46 has the lowest maximum in the family of curves. The maximum of the curve 46 occurs at an optimal measurement time along the trains
  • Curve 47 represents a passage position of a particle 18 through the laser beam, which has a higher light intensity than in curve 46.
  • the maximum of curve 47 is to the left of the maximum of curve 46, but the maximum of curve 47 points higher signal strength value of the signal-to-noise ratio. Since there is a stronger back reflection 20 here due to the higher light intensity, shorter measurement times are necessary in order to achieve an optimum signal-to-noise ratio.
  • the backscattered light reflection increases with the order of the curves 48, 49, 50. From the curves 48, 49, 50 it can be concluded that as the light intensity increases, shorter and shorter measurement times are necessary in order to achieve an optimal signal-to-noise ratio. At the same time it can be seen that curves 46, 47, 48, 49, 50 converge on curve 51.
  • the curve 51 represents a passage of the particle 18 through a region of the laser beam with such a high light intensity, such as the focus, that the particle produces the greatest possible light reflection 20, regardless of the measurement duration.
  • Curve 51 shows particles passing through the beam at a position without radial offset. This also includes defocused positions (with a correspondingly long dwell time in the beam). The other curves are for particles with different radial offset values. It should be noted that particles of a constant size cannot produce a higher signal-to-noise ratio, regardless of the measurement duration. Due to the logarithmic scaling of the Y-axis 43, the curve 51 is shown as a straight line in FIG. Depending on the particle diameter, the set of curves shifts along the abscissa, with the characteristics of the set of curves with regard to the position of the maxima and the convergence towards curve 51 remaining at least qualitatively preserved.
  • the straight line represents the following relationship, where SNR is the signal-to-noise ratio, d is the particle diameter, t is the measurement duration and v is the flow velocity 11:
  • the particle diameter d is ultimately determined depending on the measurement time t and the flow velocity 11 v of the particles 18 in the particle stream 10.
  • the particle diameter can be according to d ⁇ SNR 0.5. t1.5v2 _ be determined.
  • the flow speed 11 can be determined by GPS data, by data from a weather service and/or data from a measurement with the laser device 12 and/or an additional sensor device (not shown).
  • a periodic frequency modulation can be imposed on the laser light 16, so that a speed of the particles 18 that pass through the laser light 16 can be determined.
  • a further alternative, not shown, can include a laser device 12 which has a micromechanical mirror by means of which a flow velocity 11 of the particle stream 10 through the laser device 12 can be determined.
  • the laser light 16 is periodically deflected by the micromechanical mirror.
  • a laser device 12 having several lasers can be used, which enables the particle velocity to be measured using Doppler shift. An average particle speed is determined.
  • FIG. 5 shows a histogram of a frequency distribution in which so-called bins, which represent classes of particle diameters, are plotted along the X-axis 53.
  • the frequency of a specific particle diameter can be read on the Y-axis 29.
  • a particle diameter d can be determined for each signal strength value of a measured particle 18.
  • the frequency distribution from FIG. 2 can possibly be used to determine the particle diameter d. This is preferably an estimate of the particle diameter determined by the above-mentioned relationship.
  • the largest particle diameter occurs most frequently as determined using the relationship obtained from FIG. 4.
  • a tail 27 is formed from bins with particle diameters that are smaller than the largest particle diameter 25.
  • the particle diameter can be determined by a processor unit of a computer and/or the evaluation unit 22. In a particle stream in which all particles have the same particle diameter, this particle diameter is detected most frequently.
  • FIG. 6 a diagram of the diameter-dependent backscattering of the light reflection 20 is shown, the backscattering intensity being shown on the Y-axis 53 and the particle diameter d on the X-axis 55, the Y-axis 53 and the X-axis 55 being logarithmic scale.
  • the backscattering intensity being shown on the Y-axis 53 and the particle diameter d on the X-axis 55, the Y-axis 53 and the X-axis 55 being logarithmic scale.
  • no correction is necessary, so that a curve adjustment 54 is possible that corresponds to a constant.
  • a further curve adjustment 60 shows that a stronger diameter correction should be carried out for particle diameters d ⁇ 0.1 micrometers.
  • the diameter correction therefore only takes place for a part of the particle diameter, namely for the particle diameter that is smaller than 1 micrometer.
  • the curve fits 54, 56, 60 may be described by a common function underlying a continuous model of backscatter efficiency using the principles of linear filter theory.
  • the amplitude of a second-order high-pass filter has a slope that is proportional to the square of the frequency, and that this is similar to the slope of the backscattering efficiency, which is proportional to the square of the particle diameter d
  • the relative error of the estimate of the particle diameters is plotted on the X-axis 62 and the corresponding correction of the frequency of a particle diameter based on the relative error on the Y-axis 64.
  • the correction of the frequency of a particle diameter is always between 0 and 100%, so that the frequency distribution of the particle diameter Diameter in the particle stream 10 from Figure 5 does not have negative values after the frequency correction.
  • a curve adjustment 68 can be determined based on the determined correction values 66, which corresponds to a straight line, with the X-axis 62 being logarithmically scaled. Finally, it can be determined that, regardless of the particle diameter, the curve fitting 68 of the relative error is approximately identical and the frequency distribution of the tail 27 can be corrected accordingly. Consequently, it can be assumed that each particle diameter of the tail 27 of FIG. 5 can be corrected using the same frequency correction. The respective frequency of the particle diameter in the tail 27 is reduced.
  • FIG. 8 shows a process sequence for determining the particle distribution in a particle stream, which can be executed as a computer program on a computer unit. Furthermore, the computer program can be saved on storage media.
  • the process sequence includes determining the particle diameter d according to d ⁇ SNR 0.5. t1.5 . v 2 from the frequency distribution from Fig. 2 and the context from Fig. 4.
  • the histogram from FIG. 5 is created, with bins with classes of particle diameters being created, for example at 0.1 micrometer intervals.
  • the histogram from Fig. 5 represents a diameter list.
  • the bin with the largest particle diameter 25 is selected from the diameter list as a representative particle diameter. chooses.
  • the tail 27 of particle diameters that are smaller than the representative particle diameter is used to create a correction list.
  • a further step 76 the contribution to a particle distribution, for example according to PM1, PM2.5 and/or PM10, is calculated for the representative particle diameter.
  • the detection sensitivity of the laser device 12 according to FIG. 3 is taken into account.
  • the diameter correction is carried out so that, depending on the particle diameter d, corrected particle diameters d' and/or d'' are obtained.
  • the determined particle diameters d, d', d'' are saved in a corrected diameter list in a step 78.
  • a new representative particle diameter is selected that is smaller than the previous representative particle diameter until the smallest particle diameter has been processed in the diameter list.
  • the next smaller particle diameter is selected as the new representative particle diameter.
  • the particle distribution can be output in a step 84.
  • An output of PM1, PM2.5 and/or PM10 can be output.
  • Fig. 8 The steps shown in Fig. 8 can also be done in a different order.
  • the diameter correction can take place at the end of the process sequence.
  • a correction list can be created at the beginning of the process.
  • an approach can be used to derive the statistically most likely distribution of particle sizes from all signal-to-noise ratios and measurement durations.
  • FIG. 9 shows an illustration of an algorithm for determining the optimal block size using an FFT tree.
  • Fourier analyzes 86 are carried out in several parallel steps at different levels of a binary tree. The measurement duration can be determined during which the optimal signal-to-noise ratio is determined.
  • the laser device 12 can be used in a smartphone 88 to carry out the method sequence from FIG. 8. This allows the user of the smartphone 88 to measure a local particle distribution in the ambient air.
  • the data determined from this can be displayed to the user directly on the smartphone 88.
  • the data can be transmitted to environmental services via the Internet.
  • the particle distribution can be determined using the smartphone 88 or the smartphone 88 can transmit measurement data to a cloud-based service that carries out the method according to the invention.
  • the method according to the invention can also be carried out on stationary installations in road traffic, on or in buildings and anywhere where particle distribution is to be determined.

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Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen einer Partikelverteilung in einem Partikelstrom (10) mit einer Laservorrichtung (12), die einen Halbleiterlaser (14) aufweist, der ein Laserlicht (16) emittiert, das ein inhomogenes Intensitätsprofil (30) aufweist, gekennzeichnet durch - ein Empfangen einer an Partikeln (18) des Partikelstroms (10) erzeugten Lichtreflexion (20) des Laserlicht (16), - ein Auswerten eines durch die Lichtreflexion (20) erzeugten Reflexionssignals durch eine an der Laservorrichtung (12) angeschlossene Auswerteeinheit (22) hinsichtlich einer Häufigkeitsverteilung von Signalstärkewerten, die beim Durchtritt des Laserlichts (16) durch die Partikel (18) in Abhängigkeit des Intensitätsprofils (30) erzeugt wird, - ein Bestimmen der Partikeldurchmesser der einzelnen Partikeln in Abhängigkeit der Signalstärkewerte durch eine Prozessoreinheit, - eine Durchmesserkorrektur wenigstens eines Teils der bestimmten Partikeldurchmesser in Abhängigkeit der Empfindlichkeit der Laservorrichtung, - ein Erstellen einer Durchmesserliste der Häufigkeitsverteilung der Partikeldurchmesser, - eine Häufigkeitskorrektur der Durchmesserliste durch eine Korrekturliste, - ein Abspeichern der korrigierten Durchmesserliste auf einem Speichermedium.

Description

Verfahren zum Bestimmen einer Partikelverteilung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Parti- kelverteilung in einem Partikelstrom mit einer Laservorrichtung, die einen Halbleiterlaser aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm- produkt, das die Schritte solch eines Verfahrens beinhaltet und eine Laservor- richtung zum Ausführen des Verfahrens.
Stand der Technik
Hintergrund der Erfindung ist die Erfassung von PM1-, PM2,5- und PM10- Werten, wobei die Erfassung anhand der Partikelmasse in μg/m3 für Partikel- größen unter 1 , 2,5 bzw. 10 Mikrometer erfolgt
Die WO 2017017282 A1 offenbart ein Verfahren zur Ableitung von Partikel- größen aus gemessenen Signalen. Es wird ein Lasersensormodul zur Parti- kelgrößendetektion beschrieben. Das Lasersensormodul umfasst mindestens einen ersten Laser, mindestens einen ersten Detektor, mindestens einen elektrischen Treiber und mindestens eine Auswerteeinrichtung. Der erste La- ser ist angepasst, um erstes Laserlicht in Reaktion auf Signale zu emittieren, die von dem mindestens einen Treiber bereitgestellt werden. Für eine genaue Bestimmung der PM1-, PM2,5- und PM10-Werte ist eine gute Schätzung der erfassten Partikelgröße erforderlich. Obwohl größere Par- tikel im Allgemeinen zu längeren Detektionszeiten und/oder größeren Detek- tionsamplituden führen, erzeugen große Partikel oft auch sehr schwache Sig- nale. Dies ist der Fall, wenn ein Partikel durch einen Randbereich des zur Detektion ausgesendeten Laserstrahls hindurchläuft. Tritt ein Partikel jedoch durch den Fokus des Laserstrahls, kann es eine Reflexion erzeugen, die ei- nen hohe Lichtintensität aufweist. Entsprechend wird ein starkes Signal de- tektiert. Hierbei sind starke und schwache Signale im Sinne eines Signal- Rausch-Verhältnisses zu verstehen, bei dem die Leistung eines Nutzsignals im Verhältnis zu einem Rauschen steht.
Die durch die vorliegende Erfindung gelöste Aufgabe besteht in der Bereit- stellung eines Verfahrens, das eine genauere Bestimmung einer Partikelver- teilung in einem Partikelstrom ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Es wird vorgeschlagen, ein Verfahren zum Bestimmen einer Partikelvertei- lung in einem Partikelstrom mit einer Laservorrichtung vorzusehen, wobei die Laservorrichtung einen Halbleiterlaser aufweist, der ein Laserlicht emittiert, das ein vorzugsweise quer zur Propagationsrichtung und/oder in Propagati- onsrichtung des Laserlichts verlaufendes inhomogenes Intensitätsprofil auf- weist, verfahrensgemäß ein Empfangen einer an Partikeln des Partikelstroms erzeugten Lichtreflexion des Laserlichts, ein Auswerten eines durch die Licht- reflexion erzeugten Reflexionssignals durch eine an der Laservorrichtung an- geschlossene Auswerteeinheit hinsichtlich einer Häufigkeitsverteilung von Signalstärkewerten, die beim Durchtritt des Laserlichts durch die Partikel in Abhängigkeit des Intensitätsprofils erzeugt wird, ein Bestimmen der Partikel- durchmesser der einzelnen Partikeln in Abhängigkeit der Signalstärkewerte durch eine Prozessoreinheit, eine Durchmesserkorrektur wenigstens eines Teils der bestimmten Partikeldurchmesser in Abhängigkeit der Empfindlich- keit der Laservorrichtung, ein Erstellen einer Durchmesserliste der Häufig- keitsverteilung der Partikeldurchmesser, eine Häufigkeitskorrektur der Durchmesserliste durch eine Korrekturliste und ein Abspeichern der korrigier- ten Durchmesserliste auf einem Speichermedium ausgeführt wird.
Hierdurch wird es ermöglicht, eine Partikelverteilung zu bestimmen, die eine genauere Aussage über die Anzahl und die Größe der Partikel in dem Parti- kelstrom ermöglicht
Durch die Durchmesserkorrektur wird eine durchmesserabhängige Korrektur der bestimmten Partikeldurchmesser erreicht. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da die Rückstreuung des Laserlichts abhängig von der Wellenlän- ge des Laserlichts und den Partikeldurchmessern ist. Da die Wellenlänge konstant ist oder innerhalb eines nur schmalen Bandes im vorzugsweisen infraroten Bereich variiert wird und auf die Partikeldurchmesser unter realen Bedingungen kein Einfluss genommen wird, muss der Abhängigkeit von der Wellenlänge des Laserlichts und der Partikeldurchmesser durch die Durch- messerkorrektur Rechnung getragen werden.
In der Durchmesserliste sind histogrammartig unterschiedliche Klassen von Partikeldurchmessern aufgeführt, in denen die Auftrittshäufigkeit jedes der Partikeldurchmesser in dem Partikelstrom vorzugsweise während einer Messdauer aufgeführt ist.
Die Häufigkeitskorrektur ermöglicht es, sich der tatsächlich in dem Parti- kelstrom vorliegenden Häufigkeitsverteilung anzunähern. Hierzu können ins- besondere Häufigkeitswerte von Partikeldurchmessern, die in der Korrektur- liste angelegt sind, von der Häufigkeitsverteilung subtrahiert werden.
Die Detektion kann durch das Halbleiterlaserbauteil selbst und/oder durch eine zusätzliche Photodiode erfolgen. Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vor- teilhafte Ausführung und Weiterbildung der Erfindung möglich.
Vorteilhafterweise wird der Partikeldurchmesser in Abhängigkeit einer Mess- dauer und einer Strömungsgeschwindigkeit der Partikel bestimmt. Dabei kann der Partikeldurchmesser gemäß d ~ SNR0.5t1.5v2 bestimmt werden, wobei v die Strömungsgeschwindigkeit, t die Messdauer, SRN der Signalstärkewert und d der Partikeldurchmesser ist. Hierbei kann die Strömungsgeschwindigkeit durch GPS-Daten, durch Daten eines Wetter- dienstes und/oder Daten aus einer Messung mit der Laservorrichtung und/oder einer zusätzlichen Sensorvorrichtung bestimmt werden. Alternativ oder ergänzend kann dem Laserlicht eine periodische Frequenzmodulation aufgeprägt werden, sodass eine Geschwindigkeit der Partikel bestimmbar ist, die durch das Laserlicht hindurchtreten.
Eine besondere Weiterbildung beinhaltet, dass die Durchmesserkorrektur für Partikeldurchmesser < 1 Mikrometer erfolgt. Hierbei wird der bestimmte Parti- keldurchmesser d gemäß d' = d0,5 verringert, wenn der Partikeldurchmesser < 1 Mikrometer beträgt. Ist der Par- tikeldurchmesser < 0,1 Mikrometer wird eine stärkere Durchmesserkorrektur durchgeführt, die d'' = d0'25 beträgt. Verfahrensgemäß wird ein Erstellen der Korrekturliste vorgesehen, indem aus der Durchmesserliste die Häufigkeitsverteilung der Partikeldurchmesser, die kleiner sind als ein repräsentativer Partikeldurchmesser, abgespeichert wer- den. Hierbei wird die Korrekturliste aus den Partikeldurchmessern erstellt, die nicht dem repräsentativen Partikeldurchmesser entsprechen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann durch die Häufigkeitskor- rektur mittels der Korrekturliste die Häufigkeit von Partikeldurchmessern re- duziert werden, die kleiner sind als der repräsentative Partikeldurchmesser. Dadurch wird die Häufigkeit des repräsentative Partikeldurchmessers nicht verringert, sodass anzunehmen ist, dass die tatsächliche Häufigkeit eines Partikeldurchmessers in dem Partikelstrom, der dem repräsentativen Parti- keldurchmesser entspricht, nicht geringer ist als die Häufigkeit des unkorri- gierten repräsentativen Partikeldurchmessers.
Um der tatsächlichen Häufigkeit des repräsentativen Partikeldurchmessers in dem Partikelstrom möglichst nahezukommen, wird durch die Korrekturliste die Häufigkeit des repräsentativen Partikeldurchmessers erhöht. Dabei wird die Häufigkeit des repräsentativen Partikeldurchmessers um die Anzahl der Partikel erhöht, die einen kleineren Partikeldurchmesser aufweisen als der repräsentative Partikeldurchmesser.
Die Anzahl unterschiedlicher Durchmesser in der Durchmesserliste gibt die Wiederholungen der Häufigkeitskorrekturen an der Durchmesserliste vor, wo- bei bei der ersten Häufigkeitskorrektur als repräsentativer Partikeldurchmes- ser der größte Partikeldurchmesser der Durchmesserliste und bei der letzten Häufigkeitskorrektur als repräsentativer Durchmesser der kleinste Partikel- durchmesser der Durchmesserliste gewählt wird. Mit jedem der Korrekturite- rationsschrite wird die Häufigkeit des Partikeldurchmessers korrigiert, der als repräsentativer Partikeldurchmesser gewählt wird. Um einen möglichst einfachen Korrekturalgorithmus zu erhalten, kann die Korrekturliste nur einmal für einen repräsentativen Durchmesser bestimmt werden, der dem größten Durchmesser der Durchmesserliste entspricht, wo- bei diese Korrekturliste für alle Häufigkeitskorrekturen verwendet wird. Die Korrekturliste kann für eine typische Partikelverteilung werkseitig bestimmt werden und in einem Speicher abgelegt werden, der der Laservorrichtung zugeordnet ist Bei einer Alternative kann die Korrekturliste zu Beginn der Korrekturiterationsschritte beim größten repräsentativen Partikeldurchmesser bestimmt werden und anschließend in dem Speicher abgelegt werden, um für alle nachfolgenden Korrekturiterationsschritte verwendet zu werden.
Vorzugsweise wird als Halbleiterlaser ein Vertical-Cavity-Surface-Emitting- Laser verwendet. Solch ein VCSEL kann dazu verwendet werden, die Lichtre- flexion durch den Halbleiterlaser zu empfangen, wobei die Lichtreflexion eine Self-Mixing-Interferenz innerhalb des Halbleiterlasers erzeugt, die durch die Auswerteeinrichtung ausgewertet wird. Somit kann der Halbleiterlaser gleich- zeitig als Sensor dienen.
Um die Partikelverteilung in dem Partikelstrom nach standardisierten Kriterien beurteilen zu können, wird durch die Auswerteeinheit ein Datensatz über die Partikelverteilungen gemäß der Feinstaubstandards PM1 , PM2,5 und PM10 erzeugt. Bei den luftgetragenen Partikeln in PM10 handelt es sich um Partikel mit einem Durchmesser kleiner gleich 10 μm. PM1 (Durchmesser < 1 μm) und PM2,5 (Durchmesser < 2,5 μm) sind in PM10 enthalten, können jedoch durch die Auswerteeinheit in eigenen Datensätzen ausgegeben werden.
Bei einer besonderen Weiterbildung kann die Laservorrichtung einen mikro- mechanischen Spiegel beinhalten, mittels dem eine Strömungsgeschwindig- keit des Partikelstroms durch die Laservorrichtung gemessen werden kann, indem das Laserlicht in periodischer Weise durch den mikromechanischen Spiegel abgelenkt wird. Hierdurch kann eine besonders genaue Bestimmung des Partikeldurchmessers erreicht werden. Besonders bevorzugt ist es, die Messungen mittels Fourier-Algorithmen durchzuführen, wobei die Messdauer durch die Block-Size des Fourier- Algorithmus vorgegeben ist. Die optimale Block-Size kann durch eine Abfolge von Fourier-Algorithmen und inversen Fourier-Algorithmen bestimmt werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Ausführungsbeispiele unter Be- zugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert. Richtungsangaben in der folgenden Erläuterung sind gemäß der Leserichtung der Zeichnung zu verstehen.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Laservorrichtung mit einem Halbleiterlaser zum Bestimmen einer Partikelverteilung in einem Partikelstrom,
Fig. 2a ein Histogramm einer Häufigkeitsverteilung von Signalstärke- werten, die durch Lichtreflexionen eines beleuchteten Partikelstrom erzeugt wurden,
Fig. 2b ein schematischer Querschnitt durch einen Laserstrahl mit ei- nem inhomogenen Lichtintensitätsprofil,
Fig. 3 ein Diagramm der Detektionsempfindlichkeit der Laservorrich- tung hinsichtlich der Partikeldurchmesser,
Fig. 4 ein Diagramm ein Zusammenhang zwischen dem Signal- Rausch-Verhältnis auf der Y-Achse und einer Messdauer,
Fig. 5 ein Histogramm einer Häufigkeitsverteilung von Partikeldurch- messern, Fig. 6 ein Diagramm der durchmesserabhängigen Rückstreuung der Lichtreflexion,
Fig. 7 ein Diagramm des relativen Fehlers der Schätzung der Parti- keldurchmesser,
Fig. 8 ein Verfahrensablauf der Bestimmung der Partikelverteilung in eine Partikelstrom,
Fig. 9 eine Abbildung eines Algorithmus zur Ermittlung der optimalen Block-Size mittels eines FFT-Trees, und
Fig. 10 ein Smartphone zum Ausfuhren des erfindungsgemäßen Ver- fahrens.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen einer Partikelverteilung in einem Partikelstrom 10 mit einer Strömungsgeschwindigkeit 11 wird mittels einer Laservorrichtung 12, die in Figur 1 dargestellt ist, ausgeführt. Die Laser- vorrichtung 12 weist einen Halbleiterlaser 14 auf, der ein Laserlicht 16 emit- tiert. Vorzugsweise schließt die Propagationsachse des Laserlichts 16 mit der Oberfläche des Halbliterlasers einen Winkel ein, der eine vorteilhafte Detekti- on der Partikel 18 in dem Partikelstrom 10 ermöglicht. Der Winkel kann grö- ßer oder kleiner als 90° sein. Entsprechend schließt die Strömungsgeschwin- digkeit 11 und die Propagationsachse einen Winkel ein der nicht 90° ist. Die Propagationsachse kann eine optische Achse des Halbleiterlasers 14 oder eines optischen Elements der Laservorrichtung 12 sein. Der Halbleiterlaser 14 ist als sogenannter VCSEL (Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser) aus- geführt, dessen Laserlicht 16 an Partikeln 18 im Partikelstrom 10 reflektiert wird. Vorzugsweise ist die Strömungsgeschwindigkeit 11 oder ein effektiver Anteil der Strömungsgeschwindigkeit 11 , senkrecht zur Propagationsrichtung des Laseriichts 16 ausgerichtet. Die Lichtreflexion 20, die durch Rückstreu- ung entsteht, dringt wieder in den Halbleiterlaser 14 ein, wobei die Lichtrefle- xion 20 eine Self-Mixing-Interferenz innerhalb des Halbleiterlasers 14 erzeugt. In Figur 1 ist exemplarisch die Lichtreflexion 20 eines einzelnen Partikels 18 dargestellt. Grundsätzlich erzeugt jedes Partikel 18, welches durch das La- serlicht 16 hindurchtritt eine Lichtreflexion 20.
Der Halbleiterlaser 14 ist an eine Auswerteeinheit 22 angeschlossen, die zur Auswertung der Self-Mixing-Interferenz dient, die durch die empfangene Lichtreflexion 20 erzeugt wurde. Dabei wertet die Auswerteeinheit 22 ein Re- flexionssignal der Self-Mixing-Interferenz hinsichtlich einer Häufigkeitsvertei- lung der Signalstärkewerte aus.
Alternativ können auch andere Arten von Halbleiterlasern 14 verwendet wer- den, die beispielsweise mithilfe eines Photosensors die Lichtreflexion 20 de- tektieren und für eine Auswertung bereitstellen.
Um verfahrensgemäß eine Partikelverteilung bestimmen zu können, muss eine Häufigkeitsverteilung von Signalstärkewerten gemäß Fig. 2a) bestimmt werden, wobei die X-Achse 26 im Diagramm der Fig. 2 das Signal-Rausch- Verhältnis und die Y-Achse 28 die Häufigkeit eines bestimmten Signal- Rausch-Verhältnisses angibt. Die Häufigkeit des jeweiligen Signalstärkewerts ist rein exemplarisch im Diagramm der Fig. 2 in Klassen von 5 dB dargestellt. Dabei ist die Häufigkeit für ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis am höchsten und nimmt mit steigender Qualität des Signals im Wesentlichen ab. In dem exemplarischen Diagramm wurde eine Bestimmung für eine Partikel- größe von z.B. 0,4 Mikrometer durchgeführt. Allerdings ist die Häufigkeitsver- teilung der Signalstärkewerte für Partikel 18 anderer Größen ähnlich, wenn die Partikeldichte in dem untersuchten Partikelstrom 10 gleich ist. Durch ein quer zur Propagationsrichtung des Laserlichts 16 verlaufendes in- homogenes Intensitätsprofil 30 des Laserlichts 16, wie es für eine exemplari- sche Lasermode in Fig. 2b) schematisch dargestellt ist, wird die Signalstärke und damit das Signal-Rausch-Verhältnis beeinflusst. Tritt ein Partikel 18 durch einen Bereich 32 des Laserlichts 16 hindurch, der eine hohe Lichtinten- sität aufweist, dann wird eine starke Lichtreflexion 20 und damit ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erzeugt. Ferner hängt die Stärke der Lichtreflexion 20 auch von dem Partikeldurchmesser ab, da ein großes Partikel 18 eine größere Fläche für eine Reflexion des Laserlichts 16 bietet.
Allerdings treten die meisten Partikel 18 durch Bereiche 34 mit schwächerer Lichtintensität hindurch, die außerhalb des Fokus des Laserlichts 16 oder am Randbereich des Laserstrahls liegen. Entsprechend ist die Häufigkeit von Signalstärkewerten mit schlechtem Signal-Rausch-Verhältnis höher als mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis. Bei einer natürlichen unterschiedliche Partikeldurchmesser aufweisenden Partikelverteilung kann ein durch den Be- reich 32 mit hoher Lichtintensität hindurchtretendes Partikel 18 mit einem ers- ten Partikeldurchmesser ein gleichgroßes Signal-Rausch-Verhältnis erzeu- gen, wie ein durch den Bereich 34 mit schwächerer Lichtintensität hindurch- tretendes Partikel 18 mit einem zweiten Partikeldurchmesser, der größer ist als der erste Partikeldurchmesser.
In Fig. 3 ist ein Diagramm der Detektionsempfindlichkeit der Laservorrichtung 12 hinsichtlich der Partikeldurchmesser dargestellt. Die X-Achse 36 gibt den Partikeldurchmesser und die Y-Achse 38 eine Detektionsrate des jeweiligen Partikeldurchmessers bezogen auf eine feste Messdauer an, die beispiels- weise 1 Minute betragen kann. Die Detektionsrate kann in pg/m3 ausgedrückt werden. Mit steigendem Partikeldurchmesser sinkt die Detektionsrate bei ei- ner praktikablen Messdauer, was auf eine verminderte Empfindlichkeit der Laservorrichtung hindeutet. Ebenso ist die Empfindlichkeit für sehr kleine Durchmesser, die beispielsweise unter 1 Mikrometer liegen, gering. Hierbei fällt die Detektionsrate abrupt von einem Maximalwert auf einen unbestimm- ten Wert ab. In dem Diagramm der Fig. 3 stellten die Punkte Messpunkte 40 dar, die durch eine Extrapolationskurve 42 miteinander verbunden sind.
In Fig. 4 ist in einem Diagramm ein Zusammenhang zwischen dem Signal- Rausch-Verhältnis auf der Y-Achse 43 und einer Messdauer auf der X-Achse 44 dargestellt. Die Y-Achse 43 weist eine logarithmische Skalierung auf. Die Messdauer kann die Fourier-Transform-Block-Size sein, die mit einer Abtast- zeit bzw. Samplingrate zusammenhängt.
In dem Diagramm ist eine Kurvenschar dargestellt, die aus Reflexionssigna- len aus der Self-Mixing-Interferenz durch Fourier-Transformationen gewon- nen wird. Dabei steht jede Kurve 46, 47, 48, 49, 50, 51 der Kurvenschar für eine bestimmte Durchtrittsposition eines Partikels 18 mit einem konstanten Partikeldurchmesser durch den Laserstrahl des Laserlichts 16.
Die Kurve 46 repräsentiert ein Partikel 18, dass durch einen Bereich des La- serstrahls hindurchtritt, der eine geringe Lichtintensität und damit eine geringe Lichtreflexion 20 aufweist. Dabei ist zu erkennen, dass die Kurve 46 das ge- ringste Maximum in der Kurvenschar aufweist. Das Maximum der Kurve 46 stellt sich bei einer optimalen Messdauer entlang der X-Achse 44 ein, wobei zu erkennen ist, dass sich das Maximum der Kurve 46 bei einer längeren Messdauer gegenüber den Maxima der anderen Kurven 48, 49, 50, 51 der Kurvenschar ausbildet
Die Kurve 47 stellt eine Durchtrittsposition eines Partikels 18 durch den La- serstrahl dar, die eine höhere Lichtintensität aufweist als bei der Kurve 46. Hier ist das Maximum der Kurve 47 links neben dem Maximum der Kurve 46, jedoch weist das Maximum der Kurve 47 ein höheren Signalstärkewert des Signal-Rausch-Verhältnisses auf. Da hier eine stärkere Rückreflexion 20 auf- grund der höheren Lichtintensität vorliegt, sind geringere Messdauern nötig, um ein Optimum des Signal-Rausch-Verhältnisses zu erreichen. Die Rückgestreute Lichtreflexion steigt mit der Ordnung der Kurven 48, 49, 50. Aus den Kurven 48, 49, 50 kann geschlussfolgert werden, dass mit stei- gender Lichtintensität immer kürzere Messdauern notwendig sind, um ein optimales Signal-Rausch-Verhältnisse zu erreichen. Gleichzeitig ist zu erken- nen, dass die Kurven 46, 47, 48, 49, 50 an die Kurve 51 konvergieren.
Die Kurve 51 stellt einen Durchtritt des Partikels 18 durch einen Bereich des Laserstrahls mit so großer Lichtintensität dar, wie z.B. dem Fokus, dass das Partikel die größtmögliche Lichtreflexion 20 erzeugt und dies unabhängig von der Messdauer. Kurve 51 zeigt Teilchen, die den Strahl an einer Position oh- ne radialen Offset durchlaufen. Dazu gehören also auch defokussierte Positi- onen (mit entsprechend langer Verweildauer im Strahl). Die anderen Kurven sind für Teilchen mit unterschiedlichen radialen Offset-Werten. Hierbei ist festzustellen, das Partikel einer konstanten Größe, unabhängig von der Messdauer kein höheres Signal-Rausch-Verhältnis erzeugen können. Durch die logarithmische Skalierung der Y-Achse 43 ist die Kurve 51 als Gerade in Fig. 4 abgebildet. Je nach Partikeldurchmesser verschiebt sich die Kurven- schar entlang der Abszisse, wobei die Charakteristik der Kurvenschar hin- sichtlich Position der Maxima und der Konvergenz gegen die Kurve 51 we- nigstens qualitativ erhalten bleibt.
Hierbei stellt die Gerade folgende Beziehung dar, wobei SNR das Signal- Rausch-Verhältnis, d der Partikeldurchmesser, t die Messdauer und v die Strömungsgeschwindigkeit 11 ist:
SNR ~ d2. t-3.v-4
Der Partikeldurchmesser d ist schließlich abhängig von der Messdauer t und der Strömungsgeschwindigkeit 11 v der Partikel 18 in dem Partikelstrom 10 bestimmt. Dabei kann der Partikeldurchmesser gemäß d ~ SNR0.5.t1.5v2 bestimmt werden.
Die Strömungsgeschwindigkeit 11 kann durch GPS-Daten, durch Daten eines Wetterdienstes und/oder Daten aus einer Messung mit der Laservorrichtung 12 und/oder einer zusätzlichen nicht abgebildeten Sensorvorrichtung be- stimmt werden.
Alternativ oder ergänzend kann dem Laserlicht 16 eine periodische Fre- quenzmodulation aufgeprägt werden, sodass eine Geschwindigkeit der Parti- kel 18 bestimmbar ist, die durch das Laserlicht 16 hindurchtreten.
Eine weitere nicht abgebildete Alternative kann eine Laservorrichtung 12 be- inhalten, die einen mikromechanischen Spiegel aufweist, mittels dem eine Strömungsgeschwindigkeit 11 des Partikelstroms 10 durch die Laservorrich- tung 12 ermittelt werden kann. Hierzu wird das Laserlicht 16 in periodischer Weise durch den mikromechanischen Spiegel abgelenkt.
Alternativ kann eine mehrere Laser aufweisende Laservorrichtung 12 ver- wendet werden, die eine Messung der Partikelgeschwindigkeit mittels Dopp- lerverschiebung ermöglicht. Dabei wird eine durchschnittliche Partikelge- schwindigkeit ermittelt.
In Fig. 5 ist ein Histogramm einer Häufigkeitsverteilung dargestellt, bei dem sogenannte Bins, die Klassen von Partikeldurchmessern darstellen, entlang der X-Achse 53 aufgetragen sind. Die Häufigkeit eines bestimmten Partikel- durchmessers ist auf der Y-Achse 29 ablesbar. Anhand der Beziehung aus Fig. 4 kann für jeden Signalstärkewert eines gemessenen Partikels 18 ein Partikeldurchmesser d ermittelt werden. Eventuell kann zur Bestimmung des Partikeldurchmessers d die Häufigkeitsverteilung aus Fig. 2 verwendet wer- den. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine durch vorstehend genann- te Beziehung bedingte Schätzung des Partikeldurchmessers. Der größte Partikeldurchmesser tritt nach der Ermittlung anhand der aus Fig. 4 gewonnenen Beziehung am häufigsten auf. Hierbei bildet sich ein Schweif 27 aus Bins mit Partikeldurchmessern aus, die kleiner sind als der größte Partikeldurchmesser 25. Es stellt sich heraus, dass der größte Partikeldurch- messer tatsächlich in dem Partikelstrom 10 vorkommt und keine größeren Partikeldurchmesser in dem Partikelstrom 10 vorkommen. Das Bestimmen der Partikeldurchmesser kann durch eine Prozessoreinheit eines Computers und/oder der Auswerteeinheit 22 erfolgen. Bei einem Partikelstrom, bei dem alle Partikel den gleichen Partikeldurchmessern aufweisen, wird dieser Parti- keldurchmesser am häufigsten detektiert.
Gemäß Fig. 6 ist ein Diagramm der durchmesserabhängigen Rückstreuung der Lichtreflexion 20 dargestellt, wobei die Rückstreuungsintensität auf der Y- Achse 53 und der Partikeldurchmesser d auf der X-Achse 55 dargestellt ist, wobei die Y-Achse 53 und die X-Achse 55 logarithmisch skalieren. Für Parti- kel 18 mit einem Partikeldurchmesser d, der größer als 1 Mikrometer ist, ist keine Korrektur nötig, sodass eine Kurvenanpassung 54 möglich ist, die einer Konstanten entspricht.
Eine Durchmesserkorrektur ist allerdings für Partikeldurchmesser < 1 Mikro- meter nötig, wobei aus einer Kurvenanpassung 56 der Messkurve 58 eine Korrektur der Partikeldurchmesser d gemäß d' = d0.5 bestimmt werden kann, wobei d' der korrigierte verringerte Partikeldurchmes- ser ist.
Eine weitere Kurvenanpassung 60 ergibt, dass für Partikeldurchmesser d mit < 0,1 Mikrometer eine stärkere Durchmesserkorrektur durchgeführt werden sollte. Dabei beträgt der korrigierte Partikeldurchmesser d'' d'' = d0'25 und ist somit gegenüber dem korrigierten Partikeldurchmesser d' verringert.
Die Durchmesserkorrektur erfolgt also nur für einen Teil der Partikeldurch- messer, nämlich für die Partikeldurchmesser, die kleiner sind als 1 Mikrome- ter.
Alternativ können die Kurvenanpassungen 54, 56, 60 durch eine gemeinsame Funktion beschrieben werden, die einem kontinuierlichen Modell der Rück- streueffizienz unter Verwendung der Prinzipien der linearen Filtertheorie zu- grunde liegen. Wenn man sich vergegenwärtigt, dass die Amplitude eines Hochpassfilters zweiter Ordnung eine Steigung hat, die proportional zum Quadrat der Frequenz ist und dass dies der Steigung der Rückstreueffizienz ähnelt, die proportional zum Quadrat des Partikeldurchmessers d ist, kann man die Rückstreueffizienz als eine Kaskade von zwei Hochpassfiltern zwei- ter Ordnung mit Knickpunkten bei 0,1 bzw. 1 Mikrometer modellieren:
Figure imgf000017_0001
wobei s1 =i·d/(2 π0.1), s2=i d/(2π 1) und i=√ (-1) ist Man beachte, dass auf- grund der Kaskade der beiden Ordnungsabschnitte unterhalb des niedrigsten Grenzwertes von 0,1 die Rückstreueffizienz proportional zu D4=D2 D2 ist.
In Fig. 7 ist der relative Fehler der Schätzung der Partikeldurchmesser auf der X-Achse 62 und die entsprechende Korrektur der Häufigkeit eines Partikel- durchmessers bezogen auf den relativen Fehler auf der Y-Achse 64 aufge- tragen. Dabei beträgt die Korrektur der Häufigkeit eines Partikeldurchmessers immer zwischen 0 und 100 %, sodass die Häufigkeitsverteilung der Partikel- durchmesser in dem Partikelstrom 10 aus Figur 5 nach der Häufigkeitskorrek- tur keine negativen Werte aufweist.
Hierbei ist an die ermittelten Korrekturwerte 66 eine Kurvenanpassung 68 bestimmbar, die einer Geraden entspricht, wobei die X-Achse 62 logarith- misch skaliert sind. Schließlich kann festgestellt werden, dass unabhängig vom Partikeldurchmesser die Kurvenanpassung 68 des relativen Fehlers nä- herungsweise, identisch ist und entsprechend kann die Häufigkeitsverteilung des Schweifs 27 korrigiert werden. Folglich kann angenommen werden, dass jeder Partikeldurchmesser des Schweifes 27 aus Fig. 5 mittels der gleichen Häufigkeitskorrektur korrigiert werden kann. Dabei wird die jeweilige Häufig- keit des Partikeldurchmessers im Schweif 27 verringert.
In Fig. 8 ist ein Verfahrensablauf der Bestimmung der Partikelverteilung in einem Partikelstrom dargestellt, der als Computerprogramm auf einer Rech- nereinheit ausgeführt werden kann. Ferner kann das Computerprogramm auf Speichermedien abgespeichert werden.
Der Verfahrensablauf beinhaltet in einem ersten Schritt 70 das Bestimmen der Partikeldurchmesser d nach d ~ SNR0.5.t1.5.v2 aus der Häufigkeitsverteilung aus Fig. 2 und dem Zusammenhang aus Fig. 4.
In einem weiteren Schritt 72 wird das Histogramm aus Fig. 5 erstellt, wobei Bins mit Klassen von Partikeldurchmessern beispielsweise in 0,1 Mikrome- terabständen erstellt werden. Das Histogramm aus Fig. 5 stellt eine Durch- messerliste dar.
Im nächsten Schritt 74 wird aus der Durchmesserliste der Bin mit dem größ- ten Partikeldurchmesser 25 als ein repräsentativer Partikeldurchmesser ge- wählt. Der Schweif 27 aus Partikeldurchmessern, die kleiner sind als der re- präsentative Partikeldurchmesser wird zur Erstellung einer Korrekturliste ver- wendet.
In einem weiteren Schritt 76 wird für den repräsentativen Partikeldurchmesser der Beitrag zu einer Partikelverteilung z.B. gemäß PM1 , PM2,5 und/oder PM10 berechnet. Dabei wir die Detektionsempfindlichkeit der Laservorrich- tung 12 gemäß Fig. 3 berücksichtigt. Gleichzeitig wird die Durchmesserkor- rektur durchgeführt, sodass je nach Partikeldurchmesser d korrigierte Parti- keldurchmesser d' und/oder d'' erlangt werden.
Die ermittelten Partikeldurchmesser d, d', d'' werden in einer korrigierten Durchmesserliste in einem Schritt 78 abgespeichert.
In einem nächsten Schritt 80 wird so lange ein neuer repräsentativer Partikel- durchmesser gewählt, der kleiner ist als der vorherige repräsentative Parti- keldurchmesser, bis der kleinste Partikeldurchmesser in der Durchmesserliste verarbeitet wurde. Vorzugsweise wird der nächstkleinere Partikeldurchmesser als neuer repräsentativer Partikeldurchmesser gewählt.
Ist man noch nicht beim kleinsten Partikeldurchmesser der Durchmesserliste angelangt, wird aus einer Korrekturliste, die aus dem Schweif 27 und dem relativen Fehler gemäß Fig. 7 erstellt ist, eine typische Partikelverteilung von der übrigen Häufigkeitsverteilung abgezogen und gleichzeitig der größte bzw. der repräsentative Partikeldurchmesser um den gleichen Betrag erhöht. Dadurch wird ein näherungsweise realistischer Wert für die Häufigkeit des repräsentativen Partikeldurchmessers erhalten. Hierdurch wird eine Häufig- keitskorrektur der Durchmesserliste erzeugt.
Sind die Häufigkeitskorrekturiterationen soweit durchgeführt worden, dass der kleinste Partikeldurchmesser der Durchmesserliste erreicht wird und alle mit- tels der Durchmesserkorrektur und der Häufigkeitskorrektur korrigierten Parti- keldurchmesser in der korrigierten Durchmesserliste vorzugsweise auf einem Speichermedium abgespeichert, dann kann die Partikelverteilung in einem Schrit 84 ausgegeben werden. Es kann eine Ausgabe der PM1 , PM2,5 und/oder PM10 ausgegeben werden.
Die in Fig. 8 gezeigten Schritte können auch in einer anderen Reihenfolge erfolgen. Beispielsweise kann die Durchmesserkorrektur am Ende des Ver- fahrensablaufs erfolgen. Ferner kann eine Korrekturliste zu Beginn des Ver- fahrensablaufs erstellt werden.
Alternativ kann auch ein Ansatz verwendet werden, um aus allen Signal- Rausch-Verhältnissen und Messdauern die statistisch wahrscheinlichste Ver- teilung der Partikelgrößen abzuleiten.
In Fig. 9 ist eine Abbildung eines Algorithmus zur Ermittlung der optimalen Block-Size mitels eines FFT-Trees dargestellt. Dazu werden Fourier- Analysen 86 in mehreren parallelen Schritten auf verschiedenen Ebenen ei- nes Binärbaums ausgeführt. Dabei kann die Messdauer bestimmt werden, bei dem das optimale Signal-Rausch-Verhältnis ermittelt wird.
Wie in Fig. 10 dargestellt, kann die Laservorrichtung 12 zur Durchführung des Verfahrensablaufs aus Fig. 8 in einem Smartphone 88 verwendet werden. Damit kann der Nutzer des Smartphones 88 eine lokale Partikelverteilung in der Umgebungsluft messen.
Die daraus ermittelten Daten können dem Nutzer direkt auf dem Smartphone 88 angezeigt werden. Zusätzlich können die Daten über das Internet an um- weltbezogene Dienste übermittelt werden. Ferner kann die Bestimmung der Partikelverteilung mittels des Smartphones 88 erfolgen oder durch das Smartphone 88 Messdaten an einen Cloud-basierten Service übermittelt wer- den, der das erfindungsgemäße Verfahren ausführt. Das erfindungsgemäß Verfahren kann auch auf stationären Installationen im Straßenverkehr, an oder in Gebäuden und überall dort ausgeführt werden, wo eine Partikelverteilung ermittelt werden soll.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen einer Partikelverteilung in einem Parti- kelstrom (10) mit einer Laservorrichtung (12), die mindestens einen Halbleiterlaser (14) aufweist, der ein Laserlicht (16) emittiert, das ein inhomogenes Intensitätsprofil (30) aufweist, gekennzeichnet durch
- ein Empfangen einer an Partikeln (18) des Partikelstroms (10) erzeug- ten Lichtreflexion (20) des Laserlichts (16),
- ein Auswerten eines durch die Lichtreflexion (20) erzeugten Reflexi- onssignals durch eine an der Laservorrichtung (12) angeschlossene Auswerteeinheit (22) hinsichtlich einer Häufigkeitsverteilung von Sig- nalstärkewerten, die beim Durchtritt des Laserlichts (16) durch die Par- tikel (18) in Abhängigkeit des Intensitätsprofils (30) erzeugt wird,
- ein Bestimmen der Partikeldurchmesser der einzelnen Partikeln (18) in Abhängigkeit der Signalstärkewerte durch eine Prozessoreinheit,
- eine Durchmesserkorrektur wenigstens eines Teils der bestimmten Partikeldurchmesser in Abhängigkeit der Empfindlichkeit der Laservor- richtung (12),
- ein Erstellen einer Durchmesserliste der Häufigkeitsverteilung der Par- tikeldurchmesser,
- eine Häufigkeitskorrektur der Durchmesserliste durch eine Korrektur- liste,
- ein Abspeichern der korrigierten Durchmesserliste auf einem Spei- chermedium.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Parti- keldurchmesser in Abhängigkeit einer Messdauer und einer Strö- mungsgeschwindigkeit (11) der Partikel (18) bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesserkorrektur für Partikeldurchmesser < 1 Mikrometer erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeich- net durch ein Erstellen der Korrekturliste, indem aus der Durchmesser- liste die Häufigkeitsverteilung der Partikeldurchmesser, die kleiner sind als ein repräsentativer Partikeldurchmesser, abgespeichert werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass durch die Korrekturliste die Häufigkeit von Parti- keldurchmessern reduziert wird, die kleiner sind als der repräsentative Durchmesser. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Korrekturliste die Häufigkeit des repräsentativen Durchmes- sers erhöht wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeich- net, dass die Anzahl unterschiedlicher Durchmesser in der Durchmes- serliste, die Wiederholungen der Häufigkeitskorrekturen an der Durchmesserliste vorgibt, wobei bei der ersten Häufigkeitskorrektur als repräsentativer Durchmesser der größte Partikeldurchmesser der Durchmesserliste gewählt wird, und bei der letzten Häufigkeitskorrek- tur als repräsentativer Durchmesser der kleinste Partikeldurchmesser der Durchmesserliste gewählt wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kor- rekturliste nur einmal für einen repräsentativen Durchmesser bestimmt wird, der dem größten Durchmesser der Durchmesserliste entspricht, wobei diese Korrekturliste für alle Häufigkeitskorrekturen verwendet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Halbleiterlaser (14) ein Vertical-Cavity- Surface-Emitting-Laser ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass das die Lichtreflexion (20) durch den Halbleiterla- ser (14) empfangen wird, wobei die Lichtreflexion (20) eine Self- Mixing-Interferenz innerhalb des Halbleiterlasers (14) erzeugt, die durch die Auswerteeinrichtung (22) ausgewertet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass das dem Laserlicht (16) eine periodische Fre- quenzmodulation aufgeprägt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass durch die Auswerteeinheit (22) ein Datensatz über die Partikelverteilungen PM1 , PM2.5 und PM10 in dem Partikelstrom (10) erzeugt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine Strömungsgeschwindigkeit (11) des Parti- kelstroms (10) mittels eines der Laservorrichtung (12) zugeordneten mikromechanischen Spiegels gemessen wird, indem das Laserlicht (16) in periodischer Weise durch den mikromechanischen Spiegel ab- gelenkt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine Messdauer durch die Block-Size eines Fou- rier-Algorithmus vorgegeben ist. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Be- stimmung der optimalen Block-Size durch eine Abfolge von Fourier- Algorithmen und inversen Fourier-Algorithmen erfolgt. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, umfas- send Befehle zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorher- gehenden Ansprüche. Laservorrichtung (12) zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070143033A1 (en) * 2005-12-20 2007-06-21 Beckman Coulter, Inc. Systems and methods for particle counting
WO2017017282A1 (en) 2015-07-30 2017-02-02 Koninklijke Philips N.V. Laser sensor for particle size detection
US20190285537A1 (en) * 2016-12-09 2019-09-19 Philips Photonics Gmbh Optical particle sensor module
US20190346360A1 (en) * 2016-12-09 2019-11-14 Philips Photonics Gmbh Laser sensor module for particle density detection
US20200292435A1 (en) * 2016-03-21 2020-09-17 Koninklijke Philips N.V. Laser sensor for ultra-fine particle size detection

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019522778A (ja) 2016-05-19 2019-08-15 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． 粒子センサー、粒子検出方法及びコンピュータ・プログラム
EP3588057A1 (de) 2018-06-29 2020-01-01 Koninklijke Philips N.V. Verfahren zur reduzierung von falsch-positiven teilchenzahlen eines interferenzteilchensensormoduls

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070143033A1 (en) * 2005-12-20 2007-06-21 Beckman Coulter, Inc. Systems and methods for particle counting
WO2017017282A1 (en) 2015-07-30 2017-02-02 Koninklijke Philips N.V. Laser sensor for particle size detection
US20180209892A1 (en) * 2015-07-30 2018-07-26 Koninklijke Philips N.V. Laser sensor for particle size detection
US20200292435A1 (en) * 2016-03-21 2020-09-17 Koninklijke Philips N.V. Laser sensor for ultra-fine particle size detection
US20190285537A1 (en) * 2016-12-09 2019-09-19 Philips Photonics Gmbh Optical particle sensor module
US20190346360A1 (en) * 2016-12-09 2019-11-14 Philips Photonics Gmbh Laser sensor module for particle density detection

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