DE102005053121A1 - Particle sensor e.g. photo-acoustic soot sensor, for use in exhaust gas system of e.g. passenger car, has laser diode emitting laser radiations, and acoustic sensor partially designed as piezoelectric unit that is arranged within chamber - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Partikelsensor zur Erfassung von Partikeln, insbesondere von Ruß, mit einer Strahlungsquelle zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung auf eine Messprobe und mit einem Schallsensor zur Erfassung akustischer Wellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a particle sensor for detecting particles, especially soot, with a radiation source for emitting electromagnetic radiation on a test sample and with a sound sensor for detecting acoustic waves according to the preamble of claim 1.
Es sind verschiedenste Messtechniken zur Messung von Rußkonzentrationen bekannt, die für unterschiedliche Zwecke angewendet werden. Teilweise werden hierbei ausschließlich feste Partikel erfasst, durch andere Messungen die Gesamtmasse (flüchtige und feste Partikel), einige Messtechniken sind besonders sensitiv auf große Partikel (optische Verfahren), andere wiederum auf kleine Partikel, die zwar anzahlmäßig überwiegen, aber kaum zur Masse beitragen. Hierdurch sind die erzielten Messwerte nur sehr schwer vergleichbar. Zum anderen haben die Probeentnahmebedingungen einen sehr großen Einfluss auf das Verhältnis von festem zu flüssigem und kondensiertem Material und können zu starken Messwertschwankungen führen.It are various measuring techniques for the measurement of soot concentrations known for different Purposes are applied. Partially this will be fixed only Particles detected by other measurements, the total mass (volatile and solid particles), some measurement techniques are particularly sensitive to size Particles (optical processes), others on small particles, which outweigh the numbers, but hardly contribute to the mass. As a result, the measured values obtained are only very difficult to compare. On the other hand, the sampling conditions a very big influence on the relationship from solid to liquid and condensed material and can lead to strong measured value fluctuations.
Aus
der
Dieser photoakustische Sensor kann selektiv Kohlenstoff messen, da es den Kohlenstoff durch Absorption von periodischer Laserstrahlung periodisch aufheizt, was zur periodischen Ausdehnung und zum Aussenden einer Schallwelle führt. Diese Schallwelle wird in einer akustischen Resonatorkammer verstärkt und über ein Mikrofon gemessen. Die Intensität des Signals gibt die Kohlenstoffkonzentration an.This photoacoustic sensor can selectively measure carbon as it is the Periodically heats carbon by absorbing periodic laser radiation what about the periodic expansion and the emission of a sound wave leads. This sound wave is amplified in an acoustic resonator chamber and over Microphone measured. The intensity of the signal indicates the carbon concentration.
Nachteilig bei diesem Sensor ist, dass dieser in ein 19-zölliges Gehäuse eingepasst ist und ca. 20 kg wiegt. Weiterhin nachteilig ist hierbei, dass die Resonatorkammer eine genaue Abstimmung der Resonanzfrequenz sowie die Optimierung von Ein- und Rusströmöffnungen erfordert, um an diesen Stellen keine Geräusche zu produzieren.adversely with this sensor is that this in a 19-inch casing is fitted and weighs about 20 kg. Another disadvantage is that the resonator chamber an exact tuning of the resonant frequency As well as the optimization of inlet and Rusströmöffnungen required to these Make no noise to produce.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung:Task and advantages of Invention:
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Partikelsensor zur Erfassung von Partikeln, insbesondere von Ruß, mit einer Strahlungsquelle zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung bzw. von Photonenstrahiung, insbesondere von sichtbarem oder infrarotem Licht, auf eine Messprobe und mit einem Schallsensor zur Erfassung akustischer Wellen, vorzuschlagen, der besonders kompakt bzw. klein bauend realisiert werden kann.task the invention it is in contrast, a Particle sensor for detecting particles, in particular soot, with a Radiation source for emitting electromagnetic radiation or of photon radiation, especially of visible or infrared Light, on a test sample and with a sound sensor for detection acoustic waves, to propose, which is particularly compact or small building can be realized.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Partikelsensor der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.These Task is, starting from a particle sensor the introductory mentioned type, by the characterizing features of the claim 1 solved. By in the subclaims mentioned measures are advantageous embodiments and further developments of the invention possible.
Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Partikelsensor dadurch aus, dass der Schallsensor wenigstens teilweise als Piezoelement ausgebildet ist. Mit Hilfe eines derartigen piezoelektrischen Schallsensors kann der Partikelsensor besonders kompakt und kleinbauend ausgebildet werden. Hierdurch können völlig neuartige Anwendungsmöglichkeiten für die z.B. kontinuierliche Messung von Partikeln wie Ruß oder dergleichen in Mehrphasensystemen mit wenigstens einer Gasphase realisiert werden. Beispielsweise kann ein Partikelsensor gemäß der Erfindung an ein Abgassystem eines Fahrzeugs, insbesondere eines PKW's, LKW's, NKW's oder dergleichen, angeordnet werden.Accordingly a particle sensor according to the invention is characterized characterized in that the sound sensor is at least partially formed as a piezoelectric element is. With the aid of such a piezoelectric sound sensor the particle sensor can be made particularly compact and physically small become. This allows completely novel applications for the e.g. continuous measurement of particles such as soot or the like be realized in multi-phase systems with at least one gas phase. For example, a particle sensor according to the invention may be connected to an exhaust system a vehicle, in particular a car, trucks, commercial vehicles or the like, are arranged.
Vorzugsweise trifft die akustische Welle der Partikel bzw. Messprobe direkt bzw. unmittelbar auf den Schallsensor. Gegebenenfalls sind mehrer Schallsensoren bzw. Piezoelemente vorgesehen.Preferably meets the acoustic wave of the particles or sample directly or directly on the sound sensor. Optionally, there are several sound sensors or piezoelectric elements provided.
In vorteilhafter Weise ist der Schallsensor bzw. das Piezoelement als Wandler der von den Partikeln ausgesendeten akustischen Welle in ein vorteilhaftes elektrisches, besonders einfach auswertbares Signal ausgebildet. Hierdurch wird insbesondere die Weiterverarbeitung bzw. Auswertung der Signale besonders einfach realisierbar.In Advantageously, the sound sensor or the piezoelectric element as Transducer of the emitted from the particles acoustic wave in a favorable electrical, particularly easy to evaluate signal educated. As a result, in particular, the further processing or evaluation of the signals particularly easy to implement.
Beispielsweise weist der Schallsensor bzw. das Piezoelement eine Scheibenform, eine Ringform, eine Ausnehmung bzw. Kavität oder dergleichen auf. Hierbei kann der Schallsensor in vorteilhafter Weise derart angeordnet werden, dass sich die Partikel in unmittelbarer Nähe des Schallsensors bzw. im Zwischenraum bzw. im Innern bzw. in der Ausnehmung bzw. der Kavität des Rings anordnen.For example the sound sensor or the piezoelement has a disk shape, a ring shape, a recess or cavity or the like. in this connection the sound sensor can be advantageously arranged in such a way that the particles in the immediate vicinity of the sound sensor or in Interspace or in the interior or in the recess or the cavity of the ring Arrange.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung befindet sich der Schallsensor innerhalb eines Messvolumens bzw. innerhalb eines Messraumes, in dem sich die Messprobe befindet bzw. durch den die Messprobe bzw. das Messgas durchströmt. Das Messvolumen kann kleiner als bei der Methode mit dem akustischen Resonator ausfallen.In a particular embodiment of the invention is the sound sensor within a measuring volume or within a measuring space in which the test sample is located or through which the test sample or the Sample gas flows through. The measuring volume can be smaller than with the acoustic method Resonator fail.
In vorteilhafter Weise ist die Messprobe als Mehrphasengemisch mit mindestens einer Gasphase, insbesondere Luft und/oder Abgas z.B. eines Verbrennungsmotors oder dergleichen, ausgebildet. Darüber hinaus kann es durchaus möglich sein, dass auch eine flüssige Phase im Mehrphasengemisch bzw. in der Messprobe vorhanden ist.Advantageously, the measurement sample is a multiphase mixture having at least one gas phase, in particular air and / or exhaust gas, for example, a Ver combustion engine or the like, formed. In addition, it may well be possible that a liquid phase is also present in the multiphase mixture or in the measurement sample.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei den Partikeln insbesondere um Ruß- und/oder Kohlenstoffpartikel, die beispielsweise flüchtig und/oder als Festkörper und/oder als Kondensat oder dergleichen ausgebildet sind.advantageously, the particles are in particular carbon black and / or Carbon particles, for example volatiles and / or as a solid and / or are formed as condensate or the like.
Vorzugsweise weist der Schallsensor und/oder das Piezoelement wenigstens teilweise eine U-Form auf. Bei einer U-Form ist besonders von Vorteil, dass die zu untersuchenden Partikel zwischen den beiden Schenkeln bzw. Gabelzinken oder dergleichen während der Messphase in besonders vorteilhafter Weise angeordnet werden können.Preferably the sound sensor and / or the piezoelectric element at least partially one U shape on. In a U-shape is particularly advantageous that the Particles to be examined between the two legs or forks or the like during the measuring phase can be arranged in a particularly advantageous manner can.
Darüber hinaus kann zumindest einer der Schenkel des "U" bzw. ein Gabelzinken derart vorteilhaft dimensioniert werden, dass dieser besonders sensitiv auf die akustischen Wellen ist bzw. diese z.B. in Bewegungsenergie transformieren kann.Furthermore At least one of the legs of the "U" or a forks are dimensioned so advantageous that this is particularly sensitive to the acoustic waves or this is e.g. in Can transform kinetic energy.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist der Schallsensor und/oder das Piezoelement wenigstens teilweise als Quarzelement ausgebildet. Es hat sich gezeigt, dass ein Quarzelement bzw. ein Piezoelement aus Quarz besonders vorteilhaft die akustischen Wellen der Partikel der Messprobe in Bewegungsenergie bzw. in elektrische Energie bzw. in ein elektrisches Signal wandeln bzw. transformieren kann.In An advantageous variant of the invention is the sound sensor and / or the piezoelectric element at least partially as a quartz element educated. It has been shown that a quartz element or a Piezo element made of quartz particularly advantageous the acoustic waves the particle of the test sample in kinetic energy or in electrical Convert energy or into an electrical signal or transform can.
Weiterhin sind entsprechende Quarzelemente besonders kostengünstig herstellbar. Teilweise sind bereits Piezoquarzelemente in unterschiedlichsten Formen und/oder Größen handelsüblich, so dass eine besonders wirtschaftlich günstige Realisierung der Erfindung möglich ist.Farther are appropriate quartz elements particularly inexpensive to produce. In some cases, piezoelectric quartz elements are already available in many different ways Shapes and / or sizes commercially available, so that a particularly economically favorable realization of the invention possible is.
Vorteilhafterweise ist der Schallsensor als bereits handelsübliches Quarz Tuning Fork-Element ausgebildet, so dass eine besonders günstige Umsetzung der Erfindung verwirklicht werden kann.advantageously, the sound sensor is designed as an already commercially available quartz tuning fork element, so that is a particularly favorable Implementation of the invention can be realized.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der Schallsensor und/oder das Piezoelement wenigstens teilweise als Resonator mit einer Resonanzfrequenz ausgebildet. Die Ausbildung des Schallsensors bzw. Piezoelementes als Resonator mit einer Resonanzfrequenz, die insbesondere im Wesentlichen der Frequenz der akustischen Welle der ausgestrahlten Probe entspricht, ermöglicht eine vorteilhafte Verstärkung bzw. besonders sensitive Transformationen der akustischen Welle in ein vorteilhaftes elektrisches Signal. Hierdurch kann der Partikelsensor gemäß der Erfindung besonders empfindlich ausgebildet bzw. kann z.B. auch sehr geringe Partikelkonzentration bzw. Rußkonzentrationen z.B. im Abgas ermitteln.In a particular embodiment The invention relates to the sound sensor and / or the piezoelectric element at least partially formed as a resonator with a resonant frequency. The formation of the sound sensor or piezoelectric element as a resonator with a resonant frequency, in particular substantially the frequency corresponds to the acoustic wave of the emitted sample, allows an advantageous reinforcement or particularly sensitive transformations of the acoustic wave in a favorable electrical signal. This allows the particle sensor according to the invention is particularly sensitive or can e.g. also very low particle concentration or soot concentrations e.g. in the exhaust gas.
Es hat sich beispielsweise gezeigt, dass die bereits handelsüblichen Quarz Tuning Fork-Elemente eine Eigenresonanzfrequenz aufweisen, die sehr gut an die Frequenz der akustischen Welle entsprechender Partikel angepasst ist bzw. die akustische Welle kann an deren Eigenresonanzfrequenz sehr gut angepasst werden. Hierdurch wird in eleganter Weise eine besonders einfache Realisierung der Erfindung mit sehr hoher Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit möglich. Entsprechende Quarz Tuning Fork-Elemente bzw. Quarzschwinger werden bereits mit sehr hoher Güte hergestellt, was die Messung besonders genau werden lässt.It For example, it has been shown that the already commercially available Quartz tuning Fork elements have a natural resonant frequency, which corresponds very well to the frequency of the acoustic wave Particle is adapted or the acoustic wave can at their natural resonance frequency be adjusted very well. This is an elegant way a Particularly simple implementation of the invention with very high accuracy and reproducibility possible. Corresponding quartz tuning Fork elements or quartz oscillators are already with very high quality made, which makes the measurement particularly accurate.
Vorteilhafterweise ist eine Anpassung der Strahlung und/oder Wellenlänge der Strahlungsquelle an die Partikel und/oder Messprobe vorgesehen. Beispielsweise wird eine Wellenlänge der Strahlungsquelle ausgewählt, die von den Partikeln bzw. der Messprobe besonders gut absorbiert werden kann. Zum Beispiel wird die Wellenlänge der Strahlungsquelle zwischen etwa 500 und 1000 nm, vorzugsweise ca. 800 nm, gewählt. Eine Wellenlänge von 680 bzw. etwa 800 nm vermeidet in vorteilhafter Weise eine Querempfindlichkeit durch NOx, z.B. im Abgas bzw. in atmosphärischer Luft. Dementsprechend genau kann die Partikel- bzw. Rußmessung verwirklicht werden.Advantageously, an adaptation of the radiation and / or wavelength of the radiation source to the particles and / or measurement sample is provided. For example, a wavelength of the radiation source is selected, which can be absorbed particularly well by the particles or the measurement sample. For example, the wavelength of the radiation source is selected between about 500 and 1000 nm, preferably about 800 nm. A wavelength of 680 or about 800 nm advantageously avoids cross-sensitivity through NO x , eg in the exhaust gas or in atmospheric air. Accordingly, the particle or Rußmessung can be realized exactly.
In vorteilhafter Weise ist eine modulierte Strahlung vorgesehen. Beispielsweise wird eine Anpassung der Modulation an die Partikel- und/oder Messprobe und/oder die Schallquelle und/oder das Piezoelement und/oder den Resonator vorgesehen, so dass eine besonders vorteilhafte bzw. genaue Messung der Partikel bzw. deren Konzentration in der Messprobe verwirklicht werden kann.In Advantageously, a modulated radiation is provided. For example is an adaptation of the modulation to the particle and / or measurement sample and / or the sound source and / or the piezoelectric element and / or the Resonator provided so that a particularly advantageous or accurate measurement the particle or its concentration realized in the measurement sample can be.
Vorzugsweise wird als Strahlungsquelle ein Laser, insbesondere eine Laserdiode, vorgesehen. Es hat sich gezeigt, dass gerade mit Laserlicht bzw. mit einer Laserdiode einerseits sehr genaue Messungen mit dem photoakustischen Partikelsensor verwirklicht werden können. Andererseits wird durch die Verwendung einer Laserdiode eine besonders kompakte Bauform des Partikelsensors gemäß der Erfindung realisierbar.Preferably is a radiation source, a laser, in particular a laser diode, intended. It has been shown that just with laser light or with a laser diode on the one hand very accurate measurements with the photoacoustic Particle sensor can be realized. On the other hand is through the use of a laser diode a particularly compact design the particle sensor according to the invention realizable.
Darüber hinaus ist eine vorteilhafte Modulation des Laserlichts bei Verwendung eines Lasers bzw. einer Laserdiode ohne großen Aufwand möglich. Auch dies vereinfacht die Umsetzung der Erfindung in vorteilhafter Weise.Furthermore is an advantageous modulation of the laser light when used a laser or a laser diode without great effort possible. Also this simplifies the implementation of the invention in an advantageous manner.
Generell ist von Vorteil, die Messprobe als Aerosol auszubilden. Dies bedeutet im Sinn der Erfindung insbesondere eine feinste Verteilung fester und/oder flüchtiger und/oder flüssiger Stoffe zumindest in einem Gas, z.B. ein Rauch und/oder ein Nebel. Im Sinn der Erfindung ist ein Aerosol ein Mehrphasengemisch wie es beispielweise Abgas aus Verbrennungsvorgängen, insbesondere aus Verbrennungsmotoren oder dergleichen darstellt.In general, it is advantageous to form the measurement sample as an aerosol. This means in the sense of the invention, in particular a very fine distribution solid and / or volatile and / or liquid substances in at least one gas, eg a smoke and / or a mist. In the sense of the invention, an aerosol is a multiphase mixture such as, for example, exhaust gas from combustion processes, in particular from internal combustion engines or the like.
In vorteilhafter Weise weist ein Fahrzeug, insbesondere ein PKW, LKW oder NKW, ein Schiff oder ein Flugzeug einen Partikelsensor gemäß der Erfindung auf. Weiteres Anwendungsgebiet sind Werkstattmessgeräte für Abgasuntersuchungen (AU) und Diagnose.In Advantageously, a vehicle, in particular a car, has trucks or commercial vehicle, a ship or an aircraft, a particle sensor according to the invention on. Another field of application are workshop measuring instruments for emission tests (AU) and diagnosis.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.One embodiment The invention is illustrated in the drawing and is based on the Figures in more detail below explained.
Im Einzelnen zeigt:in the Individual shows:
In
Das
Piezoelement
Die
Messung der Partikelkonzentration bzw. Partikelmasse oder dergleichen
erfolgt mittels dem photoakustischen Effekt, wobei die Laserstrahlung
Vorzugsweise
werden ganz besonders die Klinken der Schwinggabel bzw. die Schenkel
des U-förmigen
Piezoelementes
Das
Piezoelement
Ohne
nähere
Darstellung wird z.B. Abgas oder dergleichen in die Messkammer
Generell kann gemäß der Erfindung eine besonders genaue Ermittlung der Partikel in einer Gasprobe ermittelt werden. Beispielsweise kann die Konzentration bzw. die Masse der Partikel in der Messprobe ermittelt werden.As a general rule can according to the invention a particularly accurate determination of the particles in a gas sample be determined. For example, the concentration or the Mass of the particles to be determined in the measurement sample.
Vor
allem durch die Verwendung besonders klein realisierbarer Piezoelemente
In
Die
Variante gemäß
Gemäß
In vorteilhafter Weise ist bei einem Partikelsensor gemäß der Erfindung eine Temperaturstabilisierung vorgesehen, wodurch die Güte bzw. die Qualität der Messung weiter verbessert werden kann.In Advantageously, in a particle sensor according to the invention provided a temperature stabilization, whereby the quality or the quality the measurement can be further improved.
Vorteilhafterweise
hängt das
elektrische Signal
Darüber hinaus
wird die Wellenlänge
der Strahlung
Die
Schallwelle wird in das Piezoelement
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