-
Stand der Technik
-
Aus dem Stand der Technik, der
WO18202433 A1 der Anmelderin, ist bereits ein Rußpartikelsensor mit einem einen Laser aufweisenden Lasermodul und mit einem zur Detektion von Temperaturstrahlung eingerichteten Detektor bekannt, welcher ein im Strahlengang des Lasers des Lasermoduls angeordnetes optisches Element aufweist, das dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul ausgehendes Laserlicht in einen Spot zu bündeln. Hierdurch werden Rußpartikel, die den Spot durchqueren, so stark erhitzt, dass sie Quelle einer Strahlung werden, die der Detektor nachfolgend detektiert und ein entsprechendes Signal generiert.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis der Erfinder, dass der Intensitätsverteilung I des Laserlichts in dem Spot in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts, also dem Strahlprofil im Sinne der Erfindung, eine wichtige Bedeutung für die Frage zukommt, inwiefern mit dem Sensor Rußpartikel sicher eindeutig größenaufgelöst detektiert werden können.
-
Inhomogene Strahlprofile, wie beispielsweise Gaußprofile mit der zur Ausbreitungsrichtung radialsymmetrischen Intensitätsverteilung IGauß ~ exp -
(r/w0)2, wobei wo der Strahltallienradius ist, haben den Nachteil, dass das bei Durchgang eines Partikels durch den Spot mit dem Detektor ausgewertete Signal mehrdeutig ist. Beispielsweise erzeugt ein relativ großer Partikel (z.B. mit Durchmessern > 100 nm), der den Laserspot in einem Gebiet mit submaximaler Laserintensität durchquert, beispielsweise weiter außen im Gaußprofil (z.B. r > wo), ein detektiertes Signal, das sich von einem detektierten Signal, das daraus resultiert, dass ein kleinerer Partikel den Spot in einem Bereich maximaler Laserintensität, beispielsweise im Zentrum des Gaußprofils (z.B. r=0 oder r < wo), durchquert, nicht unterscheiden lässt, denn der kleine Partikel heizt sich auf eine höhere Temperatur auf als der große Partikel und emittiert dann trotz des Größenunterschiedes aus Sicht des Detektors die gleiche Strahlungsmenge wie der große Partikel. Gerade hierin besteht die Mehrdeutigkeit, der mit den aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren generierten Signale.
-
Inhomogenitäten der Intensitätsverteilung des Laserlichts im Spot, beispielsweise die Flanken der gaußförmigen Intensitätsverteilung, führen also dazu, dass eine Bestimmung der Partikelgröße anhand der detektierten Signale nicht eindeutig möglich ist.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Laserlicht durch entsprechende optische Elemente so geformt ist, dass es in dem Spot ein Tophat-Strahlprofil aufweist, also dort eine Intensitätsverteilung ITophat aufweist, die beispielsweise innerhalb eines Kreises mit dem Radius wo einen konstanten Wert aufweist und außenhalb davon die Intensität Null aufweist: ITophat ~ rect(r/w0) mit rect(R) = 1 für R < 1, und rect(R) = 0 sonst.
-
Das hat den Vorteil, dass diejenigen Partikel, die den Spot durchqueren, ausnahmslos der maximal im Spot auftretenden Laserintensität ausgesetzt sind. Sie werden so auf eine definierte Temperatur erhitzt und leuchten folglich mit einer Intensität, die nur von ihrer Größe abhängig ist. Die Größe des Partikels kann also mit der vorliegenden Erfindung eindeutig aus dem an dem Detektor erzeugten Signal erschlossen werden.
-
Im Rahmen der Erfindung wird eine mathematisch-idealisierte Intensitätsverteilung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts, die in einem inneren Gebiet überall ihren Maximalwert annimmt und außerhalb des Gebiets überall den Wert Null annimmt, als Tophat-Strahlprofil aufgefasst. Es werden im Rahmen der Erfindung aber auch reale Intensitätsverteilungen, die am Rande des Gebiets eine hohe aber doch endliche Flankensteilheit aufweisen, und/oder innerhalb und/oder außerhalb des Gebiets geringe aber von Null verschiedene Intensitätsschwankungen aufweisen, als Tophat- Strahlprofil aufgefasst, entsprechend dem diesbezüglichen Verständnis des Fachmanns.
-
Die optischen Elemente, die erfindungsgemäß vorgesehen sind, um den Laserstrahl in einen Spot zu bündeln und in dem Spot zu einem Tophat-Strahlprofil zu formen, können gewöhnliche optische Elemente umfassen, wie beispielsweise sphärische Linsen bzw. Fraunhofer -Elemente und/oder sphärische bzw. plane Spiegel. Das sind insbesondere optische Elemente, die einen Laserstrahl, der stets ein gaußförmiges Profil aufweist, in einen Laserstrahl, der stets ein gaußförmiges Profil aufweist, abbilden.
-
Darüber hinaus umfassen diese optischen Elemente aber insbesondere mindestens ein optisches Element, das das Strahlprofil ändert, also beispielsweise einen Gaußstrahl (Laserstrahl, der stets ein gaußförmiges Profil aufweist) in einen Tophat-Strahl (Laserstrahl, der in seinem Spot senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls ein Tophat-Strahlprofil aufweist) abbildet. Das sind insbesondere folgende optische Elemente: Diffraktive optische Elemente (DOE), refraktive Strahlformer (engl: refractive beam shaper), diffraktive Strahlformer, strahlformende Diffuser, Fresnel-Elemente. Derartige optische Elemente und ihre Verwendung im Zusammenhang mit Laserstrahlung sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
-
Es kann zur kompakten Realisierung des Sensors vorgesehen sein, dass im Strahlengang zwischen dem Lasermodul und dem Spot ein dichroitischer Strahlteiler angeordnet ist. In diesem Fall kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das optische Element, das das Strahlprofil des Laserstrahls ändert, zwischen dem Lasermodul und dem dichroitischen Strahlteiler angeordnet ist. Der Vorteil besteht insbesondere darin, dass die von den Partikeln emittierte Strahlung durch den Strahlteiler zu dem Detektor gelangen kann, ohne das optische Element, das das Strahlprofil des Laserstrahls ändert, passieren zu müssen.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
-
- 1 ein auf der Laser Induzierten Inkandeszenz basierendes Messprinzip, das bei der Erfindung verwendet wird;
- 2 einen prinzipiellen Aufbau eines auf der Laser Induzierten Inkandeszenz basierenden Rußpartikelsensor;
- 3 einen auf der Laser Induzierten Inkandeszenz basierenden Rußpartikelsensor;
- 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors;
- 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors;
- 6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors;
- 7 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors;
- 8 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors;
- 9 Durch Simulation gewonnene Messdaten eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors (a) und eines herkömmlichen Rußpartikelsensors (b).
-
1 veranschaulicht grundsätzlich das auf der Laser Induzierten Inkandeszenz (LII) basierende Messprinzip. Laserlicht 10 hoher Intensität trifft auf ein Rußpartikel 12. Die Intensität des Laserlichts 10 ist so hoch, dass die vom Rußpartikel 12 absorbierte Energie des Laserlichtes 10 das Rußpartikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt. Als Folge der Erhitzung emittiert das Rußpartikel 12 spontan und im Wesentlichen ohne Vorzugsrichtung signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung, im Folgenden auch als LII-Licht bezeichnet. Ein Teil der in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 wird daher auch entgegengesetzt zur Richtung des einfallenden Laserlichtes 10 emittiert.
-
2 zeigt schematisch einen prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines Rußpartikelsensors 16. Der Rußpartikelsensor 16 weist hier ein CW-Lasermodul 18 (CW: continuous wave; Dauerstrich) auf, dessen bevorzugt kollimiertes (nachfolgend auch: paralleles) Laserlicht 10 mit wenigstens einem im Strahlengang des CW-Lasermoduls 18 angeordneten optischen Element 20 auf einen sehr kleinen Spot 22 fokussiert wird. Das optische Element 20 ist bevorzugt eine erste Linse 24. Nur im Volumen des Spots 22 erreicht die Intensität des Laserlichts 10 die für LII notwendigen hohen Werte.
-
Die Abmessungen des Spots 22 liegen im Bereich einiger µm, insbesondere im Bereich von höchstens 200 µm, sodass den Spot 22 durchquerende Rußpartikel 12 zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen angeregt werden, sei es durch laserinduzierte Inkandeszenz oder durch chemische Reaktionen (insbesondere Oxidation). Als Folge kann davon ausgegangen werden, dass sich stets höchstens ein Rußpartikel 12 in dem Spot 22 befindet und dass ein momentanes Messsignal des Rußpartikelsensors 16 nur von diesem höchstens einen Rußpartikel 12 stammt. Das Messsignal wird von einem Detektor 26 erzeugt, der im Rußpartikelsensor 16 so angeordnet ist, dass er vom den Spot 22 durchfliegenden Rußpartikel 12 ausgehende Strahlung 14, insbesondere Temperaturstrahlung detektiert. Der Detektor 26 weist dazu bevorzugt wenigstens eine Fotodiode 26.1 auf.
-
Es ist durchaus möglich, dass der Laser des Lasermoduls 18 moduliert bzw. an- und ausgeschaltet wird (duty cycle < 100%). Bevorzugt bleibt jedoch, dass der Laser des Lasermoduls 18 ein CW-Laser ist. Dies ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Halbleiter-Laser-Elementen (Laser-Dioden), was den kompletten Rußpartikelsensor verbilligt und die Ansteuerung des Lasermoduls 18 und die Auswertung des Messsignals stark vereinfacht. Die Verwendung gepulster Laser ist aber nicht ausgeschlossen.
-
3 zeigt einen Rußpartikelsensors 16, der sich für den Einsatz als Rußpartikelsensor im Abgas eines Verbrennungsprozesses eignet.
-
Der Rußpartikelsensor 16 weist eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr 28 und einem inneren Schutzrohr 30 auf. Die beiden Schutzrohre 28, 30 haben bevorzugt eine allgemeine Zylinderform oder Prismenform. Die Grundflächen der Zylinderformen sind bevorzugt kreisförmig, elliptisch oder vieleckig. Die Zylinder sind bevorzugt koaxial angeordnet, wobei die Achsen der Zylinder quer zur Strömung von Abgas 32 ausgerichtet sind. Das innere Schutzrohr 30 ragt in Richtung der Achsen über das äußere Schutzrohr 28 hinaus in das strömende Abgas 32 hinein. An dem dem strömenden Abgas abgewandten Ende der beiden Schutzrohre 28, 30 ragt das äußere Schutzrohr 28 über das innere Schutzrohr 30 hinaus. Die lichte Weite des äußeren Schutzrohrs 28 ist bevorzugt so viel größer als der äußere Durchmesser des inneren Schutzrohrs 30, dass sich zwischen den beiden Schutzrohren 28, 30 ein erster Strömungsquerschnitt ergibt. Die lichte Weite des inneren Schutzrohrs 30 bildet einen zweiten Strömungsquerschnitt.
-
Diese Geometrie hat zur Folge, dass Abgas 32 über den ersten Strömungsquerschnitt in die Anordnung der beiden Schutzrohre 28, 30 eintritt, dann an dem dem Abgas 32 abgewandten Ende der Schutzrohre 28, 30 seine Richtung ändert, in das innere Schutzrohr 30 eintritt und aus diesem vom vorbeiströmenden Abgas 32 herausgesaugt wird. Dabei ergibt sich im inneren Schutzrohr 30 eine laminare Strömung. Diese Anordnung von Schutzrohren 28, 30 wird mit dem Rußpartikelsensor 16 quer zur Abgasströmung an, bzw. in einem Abgasrohr befestigt.
-
Der Rußpartikelsensor 16 weist darüber hinaus das Lasermodul 18 auf, das bevorzugt paralleles Laserlicht 10 erzeugt. Im Strahlengang des bevorzugt parallelen Laserlichtes 10 befindet sich ein Strahlteiler 34. Ein den Strahlteiler 34 ohne Umlenkung durchlaufender Teil des Laserlichtes 10 wird durch das optische Element 20 zu einem sehr kleinen Spot 22 im Inneren des inneren Schutzrohrs 30 fokussiert. In diesem Spot 22 ist die Lichtintensität hoch genug, um die mit dem Abgas 32 transportierten Rußpartikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius zu erhitzen, so dass die erhitzten Rußpartikel 12 signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung emittieren. Die Strahlung 14 liegt zum Beispiel im nah-infraroten und sichtbaren Spektralbereich, ohne dass die Erfindung auf Strahlung 14 aus diesem Spektralbereich beschränkt ist. Ein Teil dieser ungerichtet in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14, beziehungsweise dieses LII-Lichtes, wird von dem optischen Element 20 erfasst und über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 gerichtet. Dieser Aufbau hat den besonders wichtigen Vorteil, dass nur ein optischer Zugang zum Abgas 32 benötigt wird, da die gleiche Optik, insbesondere das gleiche optische Element 20 für die Erzeugung des Spots 22 und für das Erfassen der vom Rußpartikel 12 ausgehenden Strahlung 14 benutzt wird. Das Abgas 32 ist ein Beispiel eines Messgases. Das Messgas kann auch ein anderes Gas oder Gasgemisch sein, zum Beispiel Raumluft.
-
Das Lasermodul 18 weist eine Laserdiode 36 eine zweite Linse 38 auf, die das von der Laserdiode 36 ausgehende Laserlicht 10 bevorzugt parallel ausrichtet. Der Einsatz der Laserdiode 36 stellt eine besonders kostengünstige und einfach handhabbare Möglichkeit der Erzeugung von Laserlicht 10 dar. Das bevorzugt parallele Laserlicht 10 wird durch das optische Element 20 zum Spot 22 fokussiert.
-
Der optische Rußpartikelsensor 16 weist bevorzugt einen dem Abgas ausgesetzten ersten Teil 16.1 und einen dem Abgas nicht ausgesetzten zweiten Teil 16.2 auf, der die optischen Komponenten des Rußpartikelsensors 16 enthält. Beide Teile sind durch eine Trennwand 16.3 getrennt, die zwischen den Schutzrohren 28, 30 und den optischen Elementen des Rußpartikelsensors verläuft. Die Wand 16.3 dient der Isolation der empfindlichen optischen Elemente von dem heißen, chemisch unter Umständen aggressiven Abgas 32. In der Trennwand 32 ist im Strahlengang des Laserlichtes 10 ein Schutzfenster 40 angebracht, durch das hindurch das Laserlicht 10 in das Abgas 32 einfällt und über das vom Spot 22 ausgehende Strahlung 14 auf das optische Element 20 und von da aus über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 einfallen kann.
-
Alternativ zu dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Erzeugung des Spots 22 und das Erfassen der von Rußpartikeln im Spot ausgehenden Strahlung 14 auch über getrennte optische Strahlengänge erfolgen.
-
Es ist auch denkbar, den Spot 22 mit anderen als den hier lediglich als Ausführungsbeispiel angegebenen Linsenkombinationen zu erzeugen. Außerdem kann der Rußpartikelsensor 16 auch mit anderen Laserlichtquellen als den hier für Ausführungsbeispiele angegebenen Laserdioden 36 verwirklicht werden.
-
Überdies ist ein Filter 42, das im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler 34 und dem Detektor 26 angeordnet ist vorgesehen. Das Filter 42 zeichnet sich dadurch aus, dass es für das Laserlicht 10 weniger durchlässig ist als für die Strahlung 14, die vom Spot 22 ausgeht, wenn sich dort ein Rußpartikel 12 befindet.
-
Bei einem Einbau des Rußpartikelsensors 16 in einen Abgasstrang eines Verbrennungsprozesses erlaubt die mit dem Filter 42 erfolgende Ausfilterung des Anregungslichts (Laserlichtes) in Verbindung mit der fast kompletten Abwesenheit von Fremd-/Umgebungslicht im Abgasstrang die Verwendung von besonders empfindlichen Detektoren 26, z.B. von kostengünstigen SiPM (silicon photomultiplier) oder SPAD-Detektoren (SPAD: single-photon avalanche diode). Als Folge kann bereits ein von einem besonders kleinen Rußpartikel erzeugtes und daher extrem kleines Lichtsignal, das beispielsweise von wenigen 10 Photonen gebildet wird, detektiert werden. Damit sinken die Abmessungen von Rußpartikeln, die gerade noch nachweisbar sind, auf eine untere Nachweisgrenze von 10 bis 100 nm ab.
-
Nachfolgend werden in den 4 bis 8 spezifische Ausführungsformen der Erfindung gezeigt, wobei auf den in der 3 gezeigten Aufbau insofern Bezug genommen wird, dass nachfolgend im Schwerpunkt nur auf die erfindungsgemäßen Modifikationen eingegangen wird.
-
Den in den 4 bis 8 gezeigten Ausführungsformen gemeinsam ist, dass im Laserstrahl 17 angeordnete optische Elemente 20a, 20b zur Bündelung des Laserstrahls 17 in einen Spot 22 mit einem Tophat-Strahlprofil in der Arbeitsebene 15 vorgesehen sind. In den bildlich dargestellten Beispielen ist mindestens ein optisches Element 20b umfasst, das das Strahlprofil des Laserstrahls 17 entsprechend ändert. Gleichwohl ist von der Erfindung die Alternative nicht grundsätzlich ausgeschlossen, ein Lasermodul 18 zu verwenden, das von sich aus einen Laserstrahl 17 mit dem gewünschten Tophat-Strahlprofil emittiert. Dann können im Übrigen optische Elemente 20a, 20b verwendet werden, durch deren Abbildungen diese Eigenschaft lediglich beibehalten wird, zum Beispiel sphärische Linsen bzw. Fraunhofer-Elemente und/oder sphärische und/oder plane Spiegel und dergleichen.
-
Den in den 4 bis 8 gezeigten Ausführungsformen ist ferner gemeinsam, dass der bereits in der 3 gezeigte Strahlteiler 34 hier als dichroitischer Strahlteiler 34 ausgebildet ist, an dem der Laserstrahl 17 vollständig oder nahezu vollständig reflektiert und in Richtung des Spots 22 umgelenkt wird. Die von den den Spot 22 durchquerenden Rußpartikeln 12 emittierte Strahlung 14 durchquert den dichroitischer Strahlteiler 34 in Transmission hingegen nahezu vollständig und gelangt - fokussiert durch die weitere Linse 25 - auf den Detektor 26.
-
In der 4 ist das optische Element 20b, das das Strahlprofil des Laserstrahls 17 ändert, zwischen dem Lasermodul 18 und dem dichroitischen Strahlteiler 34 angeordnet. Es handelt sich dabei um ein diffraktives optisches Element.
-
In der 5 ist das optische Element 20b, das das Strahlprofil des Laserstrahls 17 ändert, zwischen dem dichroitischen Strahlteiler 34 und dem Spot 22 angeordnet. Es handelt sich dabei um ein diffraktives optisches Element. Alternativ könnte auch ein refraktiver Strahlformer anstelle des diffraktiven optischen Elements vorgesehen sein.
-
In der 6 ist das optische Element 20b, das das Strahlprofil des Laserstrahls 17 ändert, ebenfalls zwischen dem dichroitischen Strahlteiler 34 und dem Spot 22 angeordnet. Es handelt sich in diesem Fall um ein diffraktives optisches Element in Form eines Fresnel Elements, das neben der Strahlformung auch die Strahlbündelung zu einem Spot 22 bewirkt. Eine separate erste Linse, vergleichbar der Linse 24 in 3, 4 bzw. 5 ist insofern in diesem Beispiel verzichtbar.
-
In der 7 ist das optische Element 20b, das das Strahlprofil des Laserstrahls 17 ändert, zwischen dem Spot 22 und dem dichroitischen Strahlteiler 34 angeordnet. Es handelt sich dabei um ein diffraktives optisches Element das aus einem hybriden Frensnel-Fraunhoferelement besteht.
-
In der 8 ist das optische Element 20b, das das Strahlprofil des Laserstrahls 17 ändert, zwischen dem Spot 22 und dem dichroitischen Strahlteiler 34 angeordnet. Es handelt sich dabei um einen refraktiven Strahlformer (engl.: refractive beam shaper).
-
Es ist auch möglich, dass die gezeigten Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, also insbesondere jedes der in den Beispielen gezeigten optischen Elemente 20b an jeder Position angeordnet sein kann, an der in einem Beispiele ein optisches Element angeordnet ist. Auch die Vorsehung mehrerer optischer Elemente 20b ist auf diese Weise möglich.
-
Rußpartikel 12 mit bekanntem Durchmesser wurden mit einem erfindungsgemäßen Rußpartikelsensor detektiert (siehe 9a) und mit einem herkömmlichen Rußpartikelsensor, vergleichbar dem in 3 gezeigten Rußpartikelsensor, dessen Strahlprofil im Spot 22 die Form einer Gaußverteilung aufweist (siehe 9b). Dargestellt ist in 9a und 9b jeweils die Peakhöhe des mit dem Detektor 26 gewonnenen Signals in beliebigen Einheiten als Funktion des Partikeldurchmessers in nm. Jeder Messwert ist durch einen unausgefüllten Kreis dargestellt. Ersichtlich kann im erfindungsgemäßen Fall (9a) von dem gemessenen Signal präzise und eindeutig auf den Durchmesser des signalgebenden Rußpartikels 12 geschlossen werden, während dies bei dem vorbekannten Sensor (9b) nicht bzw. nur sehr eingeschränkt der Fall ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-