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1. WO2020126194 - VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER SENSOREINRICHTUNG ZUR DETEKTION VON PARTIKELN ODER AEROSOL, SOWIE SENSOREINRICHTUNG

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Beschreibung

Titel

Verfahren zum Betreiben einer Sensoreinrichtung zur Detektion von Partikeln oder Aerosol, sowie Sensoreinrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoreinrichtung zur Detektion von Partikeln oder Aerosol in einem strömenden Fluid unter

Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz, sowie eine Sensoreinrichtung, jeweils nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.

Aus der DE 10 2017 207 402 A1 ist eine Sensoreinrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Fluid führenden Bereich unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz in Form eines Partikelsensors bekannt. Dabei werden in einem Abgas führenden Bereich vorhandene Partikel, beispielsweise Rußpartikel, mit einem auf einen Laserlicht-Spot fokussierten Laserlicht auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt, so dass sie signifikant Wärme- bzw. Temperaturstrahlung emittieren. Diese thermisch induzierte Lichtemission der Partikel wird mit einem Lichtdetektor gemessen, der ein der gemessenen Lichtintensität entsprechendes Ausgangssignal bereitstellt.

Offenbarung der Erfindung

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird gelöst durch ein Verfahren und eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen der nebengeordneten

Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung basieren auf der Detektion von Partikeln in einem Fluid unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz (LII). Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass als Partikel insbesondere Rußpartikel und als Fluid insbesondere das Abgas einer Verbrennungsanlage oder Brennkraftmaschine

infrage kommen. Die Vorrichtung kann beispielhaft zur Zustandsüberwachung eines Partikelfilters bei Benzin- oder Dieselfahrzeugen eingesetzt werden.

Grundsätzlich eignet sich die Vorrichtung jedoch zur Detektion ganz allgemein von Partikeln und Aerosolen in jeglichem Fluid. Beispielsweise ist eine

Verwendung der Vorrichtung für andere Szenarien und Einsatzbereiche denkbar (z.B. bei Portable Emission Monitoring Systemen, Messung der Raumluftqualität, Emissionen von Verbrennungsanlagen). Das Konzept ermöglicht sowohl die Bestimmung der Massen- (mg/m3 bzw. mg/mi) als auch der Anzahlkonzentration (Partikel/m3 oder Partikel/mi) der Partikel. Auch eine Messung der

Partikelgrößenverteilung wird möglich.

Bei dem Prinzip der laserinduzierten Inkandeszenz wird zunächst mit Laserlicht, welches von einem Laser ausgeht und in einem Laserlicht-Spot, also einem Volumenbereich mit kleinsten Abmessungen im pm- oder nm-Bereich, mit genügend hoher Intensität gebündelt ist, ein Partikel durch teilweise Absorption des Laserlichts auf mehrere tausend Grad erhitzt. Dieser heiße Partikel gibt nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz eine charakteristische Temperaturstrahlung ab (Inkandeszenz bzw. Glühemission), welche als Messsignal dient und mit einem Detektor empfangen wird.

Zu diesem Zweck wird beispielsweise ein im Strahlengang des Lasers angeordnetes optisches Element (beispielsweise in Form einer Fokussierlinse) verwendet, das dazu ausgebildet und eingerichtet ist, das von dem Laser ausgehende Laserlicht in dem sehr kleinen Laserlicht-Spot zu bündeln. Bei einem Fokusdurchmesser von z.B. 10 pm kann davon ausgegangen werden, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt immer nur ein Partikel den Laserlicht-Spot durchfliegt (intrinsische Einzelpartikel-Detektierbarkeit), wenn man eine

Partikelkonzentration von 1013/m3 zu Grunde legt. Der Detektor ist so eingerichtet und angeordnet, dass er die vom Laserlicht-Spot ausgehende

Temperaturstrahlung detektiert. Als Laser können kostengünstige

Halbleiterlaserdioden eingesetzt werden. Die Detektion der Temperaturstrahlung kann z.B. mittels eines Multi-Pixel-Photon-Counters (MPPC) oder eines Silicon-Photon-Multipliers (SiPM) erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst konkret die folgenden Schritte:

a. Erzeugen von Laserlicht mittels eines Lasers;

b. Bündeln des Laserlichts in einem Spot;

c. Erfassen von Temperaturstrahlung, die von einem im Spot erhitzten Partikel emittiert wird, mittels eines Detektors; und

d. Bereitstellen eines von der erfassten Temperaturstrahlung abhängigen

Ausgangssignals durch den Detektor;

e. Analysieren mindestens einer Eigenschaft, insbesondere eines Verlaufs einer Intensität über der Zeit, des Ausgangssignals mittels einer

Auswerteeinrichtung,

f. Durchführen einer Diagnose der Sensoreinrichtung mittels der

Auswerteeinrichtung auf der Basis der Analyse.

Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung umfasst konkret: eine Einrichtung zum Erzeugen von Laserlicht; eine Einrichtung zum Bündeln des Laserlichts in einem Spot; einen Detektor zum Erfassen von Temperaturstrahlung, die von einem im Spot erhitzten Partikel emittiert wird, und eine Auswerteeinrichtung zum

Auswerten eines Ausgangssignals des Detektors, wobei die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, beispielsweise mittels eines auf einem Speicher

abgespeicherten Computerprogramms entsprechend programmiert ist, ein Verfahren der obigen Art auszuführen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung ermöglichen somit eine Eigendiagnose, die den Vorteil hat, dass eine

grundsätzliche Funktion des Signalpfads der Sensoreinrichtung überprüft werden kann, und zwar von der Erzeugung des Laserlichts bis hin zur Detektion der Inkandeszenz- bzw. Temperaturstrahlung. Die Überprüfung der Funktion geschieht mit einem hohen Sicherheitsgrad, da das der Analyse zugrunde gelegte Ausgangssignal des Detektors mit einer verschwindend geringen Wahrscheinlichkeit durch eine Fehlfunktion des Detektors selbst erzeugt werden kann. Das Ausgangssignal des Detektors entspricht also mit hoher Sicherheit der tatsächlich am Detektor eingehenden Temperaturstrahlung und hat daher bestimmte und für einen bestimmten Anwendungsfall vorhersagbare

Eigenschaften. Dies ermöglicht es, im Rahmen der Analyse mindestens eine tatsächlich im Betrieb der Sensoreinrichtung erhaltene Eigenschaft des

Ausgangssignals mit der entsprechenden vorhergesagten Eigenschaft zu vergleichen und auf der Basis dieses Vergleichs eine Diagnose der

Sensoreinrichtung durchzuführen, also Rückschlüsse im Hinblick auf die korrekte und aktuelle Funktion der Sensoreinrichtung zu treffen. Diese Eigendiagnose kann dabei mit einem sehr geringen Zusatzaufwand an Komponenten

durchgeführt werden, so dass die entsprechende Sensoreinrichtung nach wie vor sehr preiswert ist.

Wie oben bereits erwähnt wurde, ist es beispielsweise möglich, die

Sensoreinrichtung zur OBD-Überwachung (OBD = On-Board-Diagnose) des Zustandes eines Partikelfilters im Abgassystem einer Verbrennungsanlage, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, einzusetzen. Bei Sensoreinrichtungen, die zur OBD-Überwachung eingesetzt werden, ist eine kontinuierliche Überprüfung der Sensorfunktion, also ein Selbsttest, gesetzlich vorgeschrieben. Diese kontinuierliche Überprüfung wird durch das

erfindungsgemäße Verfahren auf sehr einfache Art und Weise realisiert.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass im Schritt e analysiert wird, ob das Ausgangssignal mindestens einen Doppelpeak aufweist. Dem liegt die physikalische Tatsache zu Grunde, dass es durch die Fokussierung des

Laserlichts im Spot zu einer Auffächerung des Laserlichts vor und hinter dem Spot kommt (in Gesamtrichtung des Laserlichts gesehen), so dass, bei korrekt fokussierten Laserlicht, die Intensitätsverteilung des Laserlichts im Schnitt die Form einer„Hantel“ hat, die in ihrer axialen Mitte eine Einschnürung aufweist. Ferner liegt dem die physikalische Tatsache zu Grunde, dass sich im Betrieb der Sensoreinrichtung nicht alle Partikel zwingend exakt durch die Mitte des Spots bewegen, sondern im Rahmen einer vorhersagbaren statistischen Verteilung auch eine bestimmte Anzahl von Partikeln seitlich an der Mitte des Spots mit einem bestimmten Abstand zu dieser Mitte vorbei fliegt. Diese Partikel werden daher während eines solchen Vorbeiflugs zweimal aufgeheizt, nämlich, in Flugrichtung bzw. Strahlrichtung des Laserlichts gesehen, einmal kurz vor und ein weiteres Mal kurz nach dem Passieren der Position des Spots, so dass die Partikel auch zweimal eine entsprechende Temperaturstrahlung emmitieren.

Der Detektor sieht daher ein Aufleuchten eines solchen Partikels zweimal kurz hintereinander, so dass der Detektor ein entsprechendes Ausgangssignal bereitstellt, welches einen Doppelpeak aufweist. Unter einem„Doppelpeak“ wird vorliegend nicht zwingend ein analoges Ausgangssignal verstanden, welches zwei zeitlich unmittelbar hintereinander liegende Hochpunkte und einen dazwischen liegenden Tiefpunkt aufweist. Selbstverständlich kann ein solcher Doppelpeak auch durch ein digitales Ausgangssignal erzeugt werden, beispielsweise durch zwei zeitlich eng beieinanderliegende„Impulshaufen“. Die Unterscheidung zwischen einem„Doppelpeak“ und einem„Einzelpeak“ geschieht jedenfalls in der Regel durch eine Berücksichtigung des beispielsweise von der Strömungsgeschwindigkeit und somit von der Fluggeschwindigkeit der Partikel abhängigen Zeitraums, in dem ein und derselbe vorbei fliegende Partikel durch einen üblichen Spot zweimal zum Emittieren von Temperaturstrahlung angeregt werden kann. Nur zwei innerhalb eines solchen Zeitraums liegende Peaks werden als Doppelpeak gewertet.

Wie oben erwähnt wurde, kann davon ausgegangen werden, dass im Rahmen einer vorhersagbaren statistischen Verteilung eine bestimmte Anzahl von Partikeln seitlich an der Mitte des Spots in einem bestimmten Abstand zu der Mitte vorbeifliegt und entsprechende Doppelpeaks im Ausgangssignal des Detektors erzeugt werden. Weist das Ausgangssignal keinen Doppelpeak auf, kann von einer prinzipiellen Fehlfunktion des Signalpfads ausgegangen werden. Nur wenn die Ansteuerung des Lasers, die Fokussierung des Laserlichts auf einen geeigneten Punkt im Fluid (Spot), die Zuleitung des Fluids zu diesem Punkt, die Detektion der Temperaturstrahlung durch den Detektor und die Signalverarbeitung funktionieren, können die besagten Doppelpeaks im

Ausgangssignal beobachtet werden. Fehlen Doppelpeaks, sind solche also überhaupt nicht vorhanden, kann von einer Fehlfunktion in mindestens einem der oben genannten Bereiche der Sensoreinrichtung ausgegangen werden.

Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass im Schritt e analysiert wird, ob das Ausgangssignal innerhalb eines bestimmten Zeitraums eine Anzahl von Doppelpeaks aufweist, die mindestens einem Grenzwert entspricht, und das dann, wenn die Anzahl von Doppelpeaks innerhalb des Zeitraums nicht mindestens dem Grenzwert entspricht, im Schritt f auf einen Fehler der

Sensoreinrichtung geschlossen wird, insbesondere ein Eintrag in einen

Fehlerspeicher erfolgt. Diese Präzisierung gestattet eine noch sensiblere

Feststellung einer Fehlfunktion der Sensoreinrichtung. Eine Erzeugung eines eine Mehrzahl von charakteristischen Doppelpeaks enthaltenden

Ausgangssignals durch einen anderen Prozess ist nämlich höchst

unwahrscheinlich. Die Existenz einer Anzahl von Doppelpeaks, die dem

Grenzwert entspricht oder über diesem liegt, kann somit als Beweis für die grundsätzlich korrekte Funktion des Signalpfades der Sensoreinrichtung dienen.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass im Schritt f ein Verhältnis der Anzahl der in einem Zeitraum erfassten Doppelpeaks zur Anzahl der im selben Zeitraum erfassten Einzelpeaks gebildet wird und dass dann, wenn dieses Verhältnis außerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt, auf einen Fehler der Sensoreinrichtung geschlossen wird, insbesondere ein Eintrag in einen

Fehlerspeicher erfolgt. Über ein solches Verhältnis zwischen Einzel- und

Doppelpeaks und den Vergleich mit typischen Werten, beispielsweise mit typischen Werten für einen bestimmten Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine, in deren Abgassystem die Sensoreinrichtung eingebaut ist, kann weitere

Sicherheit über die Sensorfunktionalität gewonnen werden

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass dann, wenn das Ausgangssignal mindestens einen Doppelpeak aufweist, im Schritt e analysiert wird, ob eine Form des Doppelpeaks wenigstens in etwa einer vorgegebenen Form entspricht. Die Form des Doppelpeaks ist ebenfalls für bestimmte Betriebsverhältnisse bzw. Betriebsbedingungen, in denen die Sensoreinrichtung arbeitet, vorhersagbar, und sie liefert daher wichtige Aussagen über den aktuellen Funktionszustand einzelner Bereiche der Sensoreinrichtung. Über eine Analyse der Form des Doppelpeaks kann so eine weiterführende Diagnose nicht nur der

Sensoreinrichtung insgesamt, sondern gezielt einzelner Elemente bzw. Bereiche der Sensoreinrichtung erhalten werden. Dabei ist es grundsätzlich denkbar, dass aus einer Mehrzahl von erfassten Doppelpeaks eine„durchschnittliche“ Form gebildet wird, welche dann wiederum mit der vorgegebenen Form verglichen wird.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass im Schritt e analysiert wird, ob der Doppelpeak symmetrisch ist, und dass dann, wenn eine Asymmetrie des Doppelpeaks ein bestimmtes Maß erreicht oder überschreitet, im Schritt f auf eine fehlerhafte, insbesondere eine fehlerhaft schräge Anströmung des Spots geschlossen wird, insbesondere ein Eintrag in einen Fehlerspeicher erfolgt. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass bei einer Strömung des Fluids, die nicht wenigstens im Wesentlichen parallel zur Gesamt-Richtung des Laserlichts erfolgt, die knapp am Spot vorbei fliegenden und insoweit einen Doppelpeak beim Ausgangssignal erzeugenden Partikel vor dem Spot einen ersten

Intensitätsbereich und hinter dem Spot einen zweiten Intensitätsbereich durchfliegen, wobei sich die Intensitäten der beiden Intensitätsbereiche unterscheiden, und dementsprechend sich auch die Temperaturen und die

Absolutwerte der Hochpunkte des Ausgangssignals des Detektors

unterscheiden. Demgegenüber liegen bei einer zur Strahlachse des Laserlichts weitgehend parallelen Strömung die beiden Hochpunkte eines Doppelpeaks wenigstens in etwa auf einem gleichen Niveau. Eine nicht-parallele, sondern schräge Anströmung des Spots kann beispielsweise durch eine teilweise Verstopfung oder durch einen Riss in einem den Spot radial umgebenden Schutzrohr herrühren, wodurch die Messgenauigkeit der Sensoreinrichtung verschlechtert wird oder sogar nicht mehr gewährleistet werden kann. Dies kann durch die erfindungsgemäße Analyse und Auswertung bzw. Diagnose erkannt werden.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass dann, wenn das Ausgangssignal mindestens einen Doppelpeak aufweist, im Schritt e analysiert wird, ob das Verhältnis der beiden Hochpunkte des Doppelpeaks zu einem Tiefpunkt zwischen den beiden Doppelpeaks einen Grenzwert mindestens erreicht, und dass dann, wenn das Verhältnis den Grenzwert erreicht oder überschreitet, im Schritt f auf eine fehlerhafte Fokussierung des Laserlichts im Spot geschlossen wird, insbesondere ein Eintrag in einen Fehlerspeicher erfolgt. Eine

Verschlechterung der Fokussierung des Laserlichts z.B. durch eine ungewollte relative Bewegung von optischen Komponenten kann für die Sensoreinrichtung als kritisch anzusehen sein, da sie mit einer Reduzierung der Sensitivität einhergeht.

Auch ein solcher Fehlerfall kann über die erfindungsgemäß vorgesehene Analyse des Ausgangssignals des Detektors detektiert werden. Die Ausprägung der Doppelpeaks verringert sich nämlich mit einer Vergrößerung (beispielsweise einer Verbreiterung) des Fokusbereichs, also des Spots, da dann die oben erwähnte Hantelform weniger ausgeprägt ist. Abhängig von der Stärke der Defokusierung und Auslegung der Optik kann diese Veränderung der

Doppelpeaks allein aus den Messsignalen detektiert werden. In anderen Fällen ist eine Detektion der Verschlechterung der Fokussierung über einen Vergleich der relativen Häufigkeiten von Einzel- und Doppelpeaks und/oder nur unter Kenntnis der Fluidgeschwindigkeit, Partikelkonzentration und Größenverteilung möglich. Diese Werte können beispielsweise aus einem Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine, in deren Abgassystem die Sensoreinrichtung eingebaut ist, mit Hilfe eines Kennfeldes oder durch Charakterisierung von Einzelpeaks abgeleitet werden. Die Charakterisierung von Einzelpeaks kann beispielsweise über eine Analyse der Verteilung der Intensität und der Full-Width-Half-Maxima erfolgen.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Analyse im Schritt e eine Mustererkennung mittels künstlicher Intelligenz oder ein Fitten einer Kurve des Doppelpeaks an eine Muster-Kurvenform oder die Verwendung von Algorithmen zur Findung von Hochpunkten und/oder Tiefpunkten des Doppelpeaks und zur Auswertung eines zeitlichen Abstandes zwischen Hochpunkten des Doppelpeaks umfasst. Diese Verfahren sind besonders effizient und zuverlässig.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 eine schematisierte Darstellung des Aufbaus einer

Sensoreinrichtung zur Detektion von Partikeln in einem strömenden Fluid unter Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz;

Figur 2 einen schematisierten Schnitt durch einen Spot der

Sensoreinrichtung von Figur 1 mit einer eingezeichneten ersten Flugbahn eines Partikels;

Figur 3 ein Diagramm, in dem ein Ausgangssignal eines Detektors der

Sensoreinrichtung von Figur 1 für den Partikel von Figur 2 über der Zeit aufgetragen ist;

Figur 4 eine Darstellung ähnlich zu Figur 2, mit drei eingezeichneten

zweiten und schrägen Flugbahnen von Partikeln;

Figuren 5-7 Diagramme ähnlich zu Figur 3 für die drei Partikel von Figur 4;

Figur 8 eine Darstellung ähnlich zu Figur 2, mit einer eingezeichneten dritten Flugbahn eines Partikels und einem Spot, der gegenüber dem von Figur 2 leicht defokussiert ist;

Figur 9 ein Diagramm ähnlich zu Figur 3 für den Partikel von Figur 8;

Figur 10 eine Darstellung ähnlich zu Figur 2, mit einer eingezeichneten vierten Flugbahn eines Partikels und einem Spot, der gegenüber dem von Figur 2 defokussiert ist;

Figur 1 1 ein Diagramm ähnlich zu Figur 3 für den Partikel von Figur 10; und

Figur 12 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der

Sensoreinrichtung von Figur 1.

Funktionsäquivalente Elemente und Bereiche tragen in der nachfolgenden Beschreibung die gleichen Bezugszeichen und werden im allgemeinen nicht mehrfach erläutert.

Figur 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Sensoreinrichtung zur Detektion von Partikeln oder Aerosol in einem strömenden Fluid unter

Verwendung des Prinzips der laserinduzierten Inkandeszenz, und zwar in Form eines Partikelsensors 10. Man erkennt zunächst einen Laser12, vorliegend beispielhaft einen CW-Laser (CW = continuous wave, also "Dauerstrich"), der Laserlicht 14 emittiert. Der Laser 12 kann insbesondere eine Laserdiode aufweisen, was sehr kostengünstig ist. Das Laserlicht 10 wird durch eine Linse 16 („Kollimationslinse“) zunächst zu einem parallelen Strahl geformt, der durch einen Strahlteiler 18 beispielsweise in Form eines Beamsplitters oder eines dichroitischen Spiegels hindurchtritt. Von dort gelangt er zu einer Fokussierlinse 20 und weiter in fokussierter Form zu einem Laserlicht-Spot 22 (nachfolgend kurz „Spot“). Als Spot 22 wird hier ein Volumenelement mit sehr kleinen

Abmessungen im pm-Bereich oder sogar im nm-Bereich verstanden, in dem das Laserlicht 14 extrem fokussiert und somit extrem energiedicht bzw. intensiv ist.

Laserlicht 14 hoher Intensität kann im Spot 22 auf einen dort vorhandenen Partikel 24 treffen, beispielsweise einen Rußpartikel 24 in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine. Die Intensität des Laserlichts 14 ist im Spot 22 so hoch, dass die vom Partikel 24 absorbierte Energie des Laserlichtes 14 den Partikel 24 auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt (nur im Volumen des Spots 22 erreicht die Intensität des Laserlichts 14 die für laserinduzierte Inkandeszenz (LII) notwendigen hohen Werte). Als Folge der Erhitzung emittiert der Partikel 24 spontan und im Wesentlichen ohne Vorzugsrichtung signifikant

Temperaturstrahlung 26, auch als LII-Licht bezeichnet. Ein Teil der

Temperaturstrahlung 26 wird daher auch entgegengesetzt zur Richtung des einfallenden Laserlichtes 14 emittiert. Die Temperaturstrahlung 26 liegt zum Beispiel im nah-infraroten und sichtbaren Spektralbereich, ist jedoch nicht auf diesen Spektralbereich beschränkt. Der Laser 12, die Linse 16, der Strahlteiler 18 und die Fokussierlinse 20 bilden insoweit eine Einrichtung 27 zum Erzeugen des Spots 22.

Die Temperaturstrahlung 26 eines im Spot 22 durch das Laserlicht 14 angeregten Partikels 24 gelangt wiederum durch die Fokussierlinse 20 zurück zum Strahlteiler 18, wo sie um 90° abgelenkt wird, durch eine Fokussierlinse 28 hindurchtritt und durch einen Filter 30 (dieser ist nicht zwingend vorhanden) zu einem Detektor 32 gelangt. Der Filter 30 ist so ausgebildet, dass er die

Wellenlängen des Laserlichts 14 zumindest weitgehend ausfiltert, welches in geringem Umfang ebenfalls zurückgestrahlt wird. Durch den Filter 30 wird also der störende Background reduziert. Denkbar ist auch die Verwendung eines einfachen Kantenfilters. Das Signal-to-Noise-Ratio verbessert sich dadurch.

Die Abmessungen des Spots 22 liegen im Bereich einiger pm, insbesondere im Bereich von höchstens 200 pm, so dass den Spot 22 durchquerende Partikel 24 zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen angeregt werden. Als Folge kann davon ausgegangen werden, dass sich stets höchstens ein Partikel 24 in dem Spot 22 befindet und dass ein momentanes Ausgangssignal 34 des Partikelsensors 10 nur von diesem höchstens einen Partikel 24 stammt.

Das Ausgangssignal 34 wird von dem Detektor 32 erzeugt, der im Partikelsensor 10 so angeordnet ist, dass er vom den Spot 22 durchfliegenden Partikel 24 ausgehende Strahlung 26, insbesondere Temperaturstrahlung detektiert. Der Detektor 32 umfasst bevorzugt einen Multi-Pixel-Photon-Counter (MPPC) oder einen Silicon-Photon-Multiplier (SiPM) oder eine SPAD-Diode (single-photon avalanche diode), welche(r) die Temperaturstrahlung 26 erfasst und das

Ausgangssignal 34 erzeugt. Mit den oben genannten Typen von Detektoren 32 kann bereits ein von einem besonders kleinen Partikel 24 erzeugtes und daher extrem kleines Lichtsignal, dass beispielsweise von wenigen Photonen gebildet wird, detektiert werden. Damit sinken die Abmessungen von Partikeln 24, die gerade noch nachweisbar sind, auf eine untere Nachweisgrenze von bis zu 10 nm ab.

Es ist durchaus möglich, dass der Laser 12 moduliert bzw. an- und ausgeschaltet wird (duty cycle < 100%). Bevorzugt bleibt jedoch, dass der Laser 12 ein CW-Laser ist. Dies ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Halbleiter-Laser-Elementen (Laser-Dioden), was den kompletten Partikelsensor 10 verbilligt und die Ansteuerung des Lasermoduls 12 und die Auswertung des Ausgangssignals 34 stark vereinfacht. Die Verwendung gepulster Laser ist aber nicht

ausgeschlossen.

In Figur 1 ist durch einen Pfeil 36 auch Abgas symbolisiert, wie es beispielsweise bei einem Verbrennungsprozess, beispielsweise in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine (Diesel oder Benzin oder jeder andere Kraftstoff) eines Kraftfahrzeugs erzeugt wird. Die Sensoreinrichtung 10 weist eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr 38 und einem inneren Schutzrohr 40 auf. Die Achsen der Schutzrohre 38,40 sind quer zur Strömung des Abgases 36 ausgerichtet.

Das innere Schutzrohr 40 ragt in Richtung der Achsen über das äußere

Schutzrohr 38 hinaus und in das strömende Abgas 36 hinein. An dem vom strömenden Abgas 36 abgewandten Ende der beiden Schutzrohre 38, 40 ragt das äußere Schutzrohr 38 über das innere Schutzrohr 40 hinaus. Die lichte Weite des äußeren Schutzrohrs 38 ist bevorzugt so viel größer als der äußere

Durchmesser des inneren Schutzrohrs 40, dass sich zwischen den beiden Schutzrohren 38, 40 ein erster und vorliegend in etwa kreisringförmiger

Strömungsquerschnitt ergibt. Die lichte Weite des inneren Schutzrohrs 40 bildet einen zweiten und vorliegend kreisförmigen Strömungsquerschnitt.

Diese Geometrie hat zur Folge, dass Abgas 36 über den ersten

Strömungsquerschnitt in die Anordnung der beiden Schutzrohre 38, 40 eintritt, dann an dem vom Abgas 36 abgewandten Ende der Schutzrohre 38,40 seine Richtung ändert, in das innere Schutzrohr 40 eintritt und aus diesem vom vorbeiströmenden Abgas 36 herausgesaugt wird (Pfeile mit dem Bezugszeichen 42). Dabei ergibt sich im inneren Schutzrohr 40 eine laminare Strömung, deren Strömungsrichtung im Normalfall parallel zu einer strichpunktiert eingezeichneten Längsachse 44 des Laserlichts 14 ist. Diese Anordnung von Schutzrohren 38, 40 wird quer zur Strömungsrichtung des Abgases 36 an bzw. in einem Abgasrohr (in Figur 1 nicht gezeichnet) befestigt. Der Spot 22 befindet sich im Inneren des inneren Schutzrohrs 40 im Bereich der laminaren Strömung 42.

Der Partikelsensor 10 weist bevorzugt einen dem Abgas 36 ausgesetzten ersten Teil 46 (Schutzrohre 38 und 40) und einen dem Abgas 36 nicht ausgesetzten zweiten Teil 48 auf, der die optischen und elektronischen Komponenten des Partikelsensors 10 enthält. Der Teil 46 wird auch als„Sensorkopf bezeichnet, der Teil 48 auch als„SCU“ („sensor control unit“). Zu dem Teil 48 gehört auch eine Auswerteeinrichtung 49, in der das Ausgangssignal 34 des Detektors 32 analysiert wird, und zwar insbesondere im Hinblick auf einen Verlauf einer Intensität des Ausgangssignals 34 über der Zeit. Auch erfolgt in dieser

Auswerteeinrichtung 49 eine Diagnose der Sensoreinrichtung 10 auf der Basis der gerade erwähnten Analyse. Hierdurch kann die Funktion der

Sensoreinrichtung 10, wie nachfolgend stärker im Detail dargelegt werden wird, im Sinne eines„Selbsttests“ überprüft werden.

In Figur 2 ist der Spot 22, der durch das fokussierte Laserlicht 14 gebildet wird, im Schnitt gezeichnet. Ein Beispiel für zwei durch die Linse 20 fokussierte Laserlicht-Strahlen ist in Figur 2 eingezeichnet, diese beiden Strahlen sind mit 14' und 14" bezeichnet. Man erkennt, dass der Spot 22 eine längliche Ausdehnung aufweist mit einer Längserstreckung L in Richtung der Längsachse 44 und einem maximalen Erstreckung B quer zur Längserstreckung L. Man erkennt ferner aus Figur 2, dass aufgrund der Fokussierung des Laserlichts 14 der Spot 22 eine Art Hantelform aufweist mit einem eingeschnürten Bereich 50 in der axialen Mitte (in Richtung der Längsachse 44 gesehen), wobei der eingeschnürten Bereich 50 einen Durchmesser C hat, der kleiner ist als die Durchmesser der oberen und unteren axialen Endbereiche 52a und 52b, die jeweils einen Durchmesser B aufweisen. In Figur 2 sind auch Linien 54 gleicher Intensität des Laserlichts 14 gezeichnet, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nur die äußerste mit einem Bezugszeichen versehen ist. Man erkennt, dass die innerste gezeichnete Linie 54 eine insgesamt im wesentlichen ovale bzw. elliptische Form hat, wohingegen die äußerste gezeichnete Linie 50 die oben erwähnte

Hantelform aufweist. Die Intensität ist im Inneren des Spots 22 am höchsten und am Rand des Spots 22 am niedrigsten.

Ein Pfeil 56 bezeichnet die Flugbahn eines Partikels 24 (entsprechend der Strömung 42 in Figur 1 ). Diese führt vorliegend nicht exakt durch die Mitte des Spots 22, sondern links seitlich an der Mitte vorbei, und zwar in einem solchen Abstand zu der Längsachse 44 und somit zu der Mitte des Spots 22, dass sich der Partikel 24 zunächst durch den unteren Bereich 52a hindurchbewegt, dann

aus diesem heraustritt und an dem eingeschnürten Bereich 50 vorbei fliegt, um dann in den oberen Bereich 52b einzutauchen und schließlich auch diesen wieder zu verlassen.

Dabei reicht die Intensität des Laserlichts 14 auch in dem Randbereich der beiden Bereiche 52a und 52b, durch die der Partikel 24 hindurchfliegt, noch aus, um diesen zum Emittieren von Temperaturstrahlung 26 anzuregen, und zwar zweimal, nämlich ein erstes Mal, wenn der Partikel 24 durch den unteren Bereich 52a hindurchfliegt, und ein zweites Mal, wenn der Partikel 24 durch den oberen Bereich 52b hindurch fliegt. Entsprechend wird ein Ausgangssignal 34 erzeugt, welches in Figur 3 über der Zeit aufgetragen ist. Man erkennt eine erste steil ansteigende Flanke 58a, die bis zu einem ersten Hochpunkt 60a ansteigt, und dann eine ebenso steil abfallende Flanke 62a, die bis zu einem Tiefpunkt 64 abfällt. Von dort geht es entlang einer zweiten steil ansteigenden Flanke 58b bis zu einem zweiten Hochpunkt 60b, und dann wiederum entlang einer steil abfallenden Flanke 62b wieder zu einem unteren konstanten Signallevel.

Die beiden Hochpunkte 60a und 60b haben in etwa den gleichen Absolutwert, sind also in etwa auf dem gleichen Niveau. Das Ausgangssignal 34 weist somit zwei zeitlich eng beieinander liegende, nämlich innerhalb eines zeitlichen Intervalls t liegende Hochpunkte 60a und 60b auf, die insoweit einen

sogenannten„Doppelpeak“ 66 bilden. Die Länge des zeitlichen Intervalls t kann dabei unter anderem von der Geschwindigkeit des Fluids und somit der

Geschwindigkeit des Partikels 24 abhängen. Man erkennt, dass der Doppelpeak 66 relativ zum Tiefpunkt 64 weitgehend symmetrisch ist, also beispielsweise die erste ansteigende Flanke 58a und die zweite abfallende Flanke 62b zueinander symmetrisch sind, und dass ebenso die erste abfallende Flanke 62a und die zweite ansteigende Flanke 58b zueinander symmetrisch sind. Hieraus kann im Rahmen einer Analyse der Form des Doppelpeaks 66 mittels der

Auswerteeinrichtung 49 zum einen geschlossen werden, dass der Spot 22 die beschriebene hantelförmige Geometrie aufweist, und kann zum anderen geschlossen werden, dass der Partikel 24 auf einer Flugbahn 56 durch den Spot 22 hindurch fliegt, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse 44 des

Laserlichts 14 verläuft. Dies entspricht einer gewünschten normalen Funktion der Sensoreinrichtung 10.

In den Figuren 4-7 ist eine Betriebssituation aufgetragen, bei der die Flugbahnen 56a-c gegenüber der Längsachse 44 des Laserlichts 14 nicht parallel verlaufen. Beispielsweise durch eine teilweise Verstopfung oder durch einen Riss im inneren Schutzrohr 40 die Strömung 42 von ihrer idealen und zum Schutzrohr 40 bzw. der Längsachse 44 parallel liegenden Strömung abweichen, wodurch die Messgenauigkeit der Sensoreinrichtung 10 nicht mehr gewährleistet ist.

Dabei ist ein Winkel der Flugbahn 56c gegenüber der Längsachse 44 größer als jener der Flugbahn 56b, und ein Winkel der Flugbahn 56b ist gegenüber der Längsachse 44 größer als jener der Flugbahn 56a. In Figur 5 ist das

Ausgangssignal 34 für die Flugbahn 56a aufgetragen. Im Vergleich zu Figur 3 erkennt man, dass die Form des Doppelpeaks 66 des Ausgangssignals 34 nun nicht mehr symmetrisch ist. Dies hängt damit zusammen, dass der Partikel 24 den unteren Bereich 52a weiter außen und somit in einem Bereich geringerer Intensität durchfliegt, wohingegen er den oberen Bereich 52b weiter innen und somit in einem Bereich höherer Intensität durchfliegt. Der Partikel 24 wird daher beim Durchflug durch den unteren Bereich 52a weniger stark erhitzt als beim Durchflug durch den oberen Bereich 52b. Entsprechend ist der Absolutwert des ersten Hochpunkts 60a des Ausgangssignals 34 niedriger als jener des zweiten Hochpunkts 60b. Dieser Unterschied ist umso signifikanter, je schräger die Flugbahn 56 ist.

Der größere Winkel der beiden Flugbahnen 56b und 56c relativ zur Längsachse 44 drückt sich in einer stärkeren Asymmetrie des Doppelpeaks 66 aus, wie aus den Figuren 6 (entsprechend der Flugbahn 56b) und 7 (entsprechend der Flugbahn 56c) hervorgeht. Insoweit hat ein Doppelpeak 66 bei einer zur Längsachse 44 des Laserlichts 14 schrägen Flugbahn 56 des Partikels 24 eine charakteristische asymmetrische Form, die ebenfalls durch die

Auswerteeinrichtung 49 analysiert wird und durch die Auswerteeinrichtung 49 als schräge Flugbahn 56 diagnostiziert wird.

In den Figuren 8-9 ist der Fall dargestellt, bei der die Flugbahn 56 des Partikels 24 zwar parallel zur Längsachse 44 des Laserlichts 14 verläuft, der Spot 22 jedoch leicht defokussiert ist, was dazu führt, dass der eingeschnürte Bereich 50 einen größeren Durchmesser C hat als bei der in den Figuren 2 und 4 gezeigten stärkeren (und insoweit besseren) Fokussierung. Die Hantelform des Spots 22 von Figur 8 ist somit weniger ausgeprägt als bei dem in den Figuren 2 und 4

gezeigten Spot 22. Eine solche Defokussierung kann sich beispielsweise durch eine ungewollte Relativbewegung der optischen Komponenten der

Sensoreinrichtung 10, beispielsweise der Linse 16, des Strahlteiler 18, der Linse 20, und der Linse 28 ergeben.

Anhand des entsprechenden Ausgangssignals 34 in Figur 9 erkennt man, dass dessen Flanken 58a und 58b sowie 62a und 62b weniger steil sind als bei jenem der Figur 3, und insbesondere dass der Tiefpunkt 64 höher liegt als bei jenem der Figur 3. Man kann also sagen, dass sich das Verhältnis der Absolutwerte der beiden Hochpunkte 60a und 60b zu dem Absolutwert des Tiefpunkts 64 bei der Form des Ausgangssignals 34 von Figur 9 deutlich von dem entsprechenden Verhältnis bei der Form des Ausgangssignals 34 von Figur 3 unterscheidet, nämlich einen deutlich kleineren Wert aufweist.

Noch stärker ausgeprägt ist dies bei der in Figur 10 dargestellten Defokussierung des Spots 22, welche dazu führt, dass der in Figur 10 gezeichnete Spot 22 fast keine Hantelform mehr aufweist. Somit unterscheiden sich bei dem sich hieraus ergebenden Ausgangssignal 34 die Absolutwerte der beiden Hochpunkte 60a und 60b zum Absolutwert des dazwischen liegenden Tiefpunkts 64 kaum noch, so dass, wie aus Figur 11 ersichtlich ist, kaum noch die charakteristische Form eines Doppelpeaks 66 erkennbar ist.

Auch diese charakteristische Form des Ausgangssignals 34 wird durch die Auswerteeinrichtung 49 analysiert, und entsprechend wird eine Defokussierung des Spots 22 diagnostiziert.

Nun wird unter Bezugnahme auf Figur 12 ein Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung 10 erläutert. Das Verfahren startet in einem Block 68, beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine nach deren Start. Danach erfolgt in einem Block 69 eine Auswertung des Ausgangssignals 34 im Hinblick auf die Existenz von Doppelpeaks 66 in einer erwarteten Häufigkeit, und zwar sowohl absolut als auch relativ zur Häufigkeit von Einzelpeaks. Dementsprechend wird in einem Block 70 geprüft, ob das Ausgangssignal 34 des Detektors 32 innerhalb eines bestimmten Zeitraums eine Anzahl von Doppelpeaks 66 aufweist, die mindestens einem Grenzwert entspricht, und ob das Verhältnis zwischen

Doppelpeaks und Einzelpeaks ebenfalls mindestens einem erwarteten Grenzwert entspricht. Ist die Antwort im Block 70„Nein“, werden in einem Block 72 optionale weitere und unabhängige Diagnosefunktionen durchgeführt. Diese sind jedoch, wie gesagt, optional und nicht zwingend notwendig. In einem ebenfalls lediglich optionalen Block 74 wird geprüft, ob tatsächlich ein Fehlerfall erkannt wurde. Ist die Antwort„Nein“, erfolgt ein Rücksprung zum Startblock 68. Andernfalls wird in einem Block 76 auf einen (grundlegenden) Fehler der Sensoreinrichtung 10 geschlossen, und es erfolgt ein allgemeiner Eintrag in einen Fehlerspeicher. Das Verfahren würde dann in einem Block 78 enden.

Ist die Antwort im Block 70„ja“, erfolgt in einem Block 80 eine Auswertung der Doppelpeaks 66 insbesondere hinsichtlich der Symmetrie der Hochpunkte 60a und 60b. Dementsprechend wird in einem Block 82 geprüft, ob der erfasste Doppelpeak 66 bzw. die erfassten Doppelpeaks 66 vorgegebene

Symmetriebedingungen erfüllen, insbesondere, ob die Hochpunkte 60a und 60b wenigstens in etwa gleich hoch sind. Ist die Antwort„Nein“, ist dies ein Hinweis auf eine möglicherweise unzulässig schräge Strömung 42 relativ zur Längsachse 44. Wieder kann in dem bereits oben erwähnten optionalen Block 72 eine weitere unabhängige Diagnose durchgeführt werden, und kann im optionalen Block 74 geprüft werden, ob tatsächlich ein Fehler vorliegt. Ist die Antwort„Ja“, wird im Block 76 wieder auf einen Fehler erkannt und es erfolgt ein entsprechender Eintrag in einen Fehlerspeicher, in dem gegenüber dem obigen allgemeinen Eintrag jedoch die vermutete unzulässig schräge Strömung 42 spezifiziert wird.

Ist die Antwort im Block 82„Ja“, wird von einer zur Längsachse 44 parallelen Strömung 42 ausgegangen, und es erfolgt dann in einem Block 84 eine

Auswertung des Doppelpeaks 66 bzw. der Doppelpeaks 66 im Hinblick ganz allgemein auf eine erwartete Form, beispielsweise im Hinblick auf das Verhältnis zwischen den Absolutwerten der Hochpunkte 60a und 60b und der dazwischen liegenden Tiefpunkte 64. Erreicht oder überschreitet bzw. unterschreitet dieses Verhältnis einen Grenzwert, ist die Ausbildung der Doppelpeaks 66 somit nicht wie erwartet. Somit ist die Antwort in einem Prüfblock 86„Nein“ und es erfolgt wiederum ein Sprung zu den Blöcken 72 und 74 und gegebenenfalls dann zu den Blöcken 76 und 78, wobei wiederum der Fehlereintrag in den Fehler Speicher im Block 76 dahingehend spezifiziert wird, dass von einer unzulässigen Defokussierung des Spots 22 ausgegangen wird. Ist die Antwort im Prüfblock 86 dagegen„Ja“, wird von einer korrekten Fokussierung ausgegangen und wird in einem Block 88 ein Zähler gestartet, der nach einem bestimmten Zeitablauf einen Rücksprung zum Startblock 68 veranlasst.