KR20210098471A

KR20210098471A - 유동 유체 내의 입자 또는 에어로졸의 검출 방법, 컴퓨터 프로그램 및 전기 저장 매체

Info

Publication number: KR20210098471A
Application number: KR1020217017982A
Authority: KR
Inventors: 라도슬라프 루자노프
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2021-08-10
Also published as: EP3894824A1; CN113167682A; US20220026338A1; WO2020119990A1; DE102018221700A1

Abstract

본 발명은 레이저 유도 백열 원리를 사용하여 유동 유체 내의 입자 또는 에어로졸을 검출하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 a. 레이저로부터 나오는 레이저 광을 스팟 내로 번들링하는 단계, b. 입자 또는 에어로졸을 포함한 유체를 스팟을 통해 통과시키는 단계, c. 검출기를 이용해서 스팟으로부터 나오는 열 복사를 감지하는 단계 및 d. 유체의 속도에 의존하는 지속 시간을 가진 시간 간격 내에 검출기에 의해 제공된, 감지된 열 복사를 특성화하는 변수를 평가하는 단계를 포함한다.

Description

유동 유체 내의 입자 또는 에어로졸의 검출 방법, 컴퓨터 프로그램 및 전기 저장 매체

본 발명은 독립 청구항들의 전제부에 따른 레이저 유도 백열의 원리를 사용하여 유동 유체 내의 입자 또는 에어로졸을 검출하는 방법, 컴퓨터 프로그램 및 전기 저장 매체에 관한 것이다.

레이저 유도 백열("LII")의 원리는 가스, 예를 들어 공기 내의 나노 입자를 검출하기 위해 이미 오래전부터 알려져 있고, 예를 들어 실험실에서 "유리" 엔진에서의 연소 과정을 특성화하는 것에 또는 실험실 환경에서 배기 가스 특성화에 집중적으로 사용된다. 입자, 예를 들어 그을음 입자는 고출력 레이저의 나노초 펄스로 섭씨 수천도까지 가열되어 상당한 열 복사를 방출한다. 입자의 이러한 열적으로 유도된 광 방출은 광 검출기에 의해 측정된다. 열 효과 및/또는 신호 노이즈로 인해 야기되는 소위 배경 신호에서 작은 입자의 신호를 구별하는 것은 어려운 일이다.

본 발명의 과제는 청구항 제 1 항의 특징을 가진 방법 및 독립 청구항들의 특징을 가진 컴퓨터 프로그램 및 전기 저장 매체에 의해 해결된다. 종속 청구항들에 바람직한 실시예가 제시된다.

본 발명에 따른 방법은 유체, 예를 들어 배기 가스 내의 입자 또는 에어로졸을 검출하는데 사용된다. 이는 레이저 유도 백열(LII) 원리를 사용하여 작동한다. 먼저 입자는 레이저로부터 나와서 스팟, 즉 ㎛ 범위의 가장 작은 치수를 가진 체적 영역에서, 충분히 높은 강도로 번들링되는 레이저 광에 의해 레이저 광을 부분적으로 흡수하여 수천도까지 가열된다. 플랑크의 복사 법칙에 따르면 이러한 뜨거운 입자는 측정 신호 역할을 하고 검출기에 의해 수신되는 특성 열 복사(백열 또는 발광)를 방출한다. 이러한 열 방출 광(열 복사)의 스펙트럼은 일반적으로 적색 범위(약 750nm)에서 최대 값을 가지는 비교적 광대역이다.

이를 위해 레이저의 빔 경로에 배치된 광학 요소가 사용되고, 상기 광학 요소는 레이저로부터 나오는 레이저 광을 매우 작은 스팟에서 번들링하도록 설계 및 설치된다. 예를 들어 초점 직경이 10㎛인 경우, 입자 농도가 10¹³/m³라고 전제하면 특정 시점에서 항상 하나의 입자만이 스팟을 통과한다고 가정할 수 있다(고유 단일 입자 검출 가능성). 검출기는 스팟으로부터 나오는 열 복사를 검출하도록 설계 및 배치된다. 저렴한 반도체 레이저 다이오드가 레이저로서 사용될 수 있다. 열 복사의 검출은 예를 들어 민감한 포토 다이오드 또는 다중 픽셀 광자 계수기(MPPC)를 사용하여 이루어질 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 방법은 적어도 다음 단계를 포함한다:

a. 레이저로부터 나오는 레이저 광을 스팟 내로 번들링하는 단계,

b. 입자 또는 에어로졸을 포함한 유체를 스팟을 통해 통과시키는 단계,

c. 검출기를 이용해서 스팟으로부터 나오는 열 복사를 감지하는 단계, 및

d. 유체의 속도에 의존하는 지속 시간을 가진 시간 간격 내에 검출기에 의해 제공된, 감지된 열 복사를 특성화하는 변수를 평가하는 단계.

본 발명은 입자 또는 에어로졸이 레이저 스팟을 통과하는 전형적인 비행 시간을 가진다는 사실을 사용하고, 상기 비행 시간은 공지되고 일정한 스팟 치수 및 특히 입자 또는 에어로졸을 포함한 유체의 가변적 속도에 의존한다. 따라서, 검출기에 의해 제공된 신호가 검출된 열 복사로 인해 변하는 동안 추정 지속 시간을 예측할 수 있다. 이로써, 신호 평가가 이러한 지속 시간에 제한될 수 있으므로, 그 전후에 주어진 "배경 신호 노이즈"가 마스킹될 수 있어 영향을 적게 미친다.

따라서, 본 발명은 (예를 들어 내연 기관의 엔진 제어 장치로부터의) 유체 속도에 관한 정보를 사용하여, 감지된 열 복사를 특성화하는 변수(예를 들어 시간에 대한 강도)가 평가되는 시간 간격(입자 검출 간격)을 유체의 속도에 따라 제어하므로 신호 대 잡음비를 최적화하는 확장된 신호 평가를 위한 방법을 목표로 한다. 시간 간격은 유체가 저속인 경우 보다 유체가 고속인 경우 더 짧다.

본 발명에 따른 방법은 유동 유체 내의 입자 또는 에어로졸, 특히 디젤 및 가솔린 차량의 배기 가스 내의 그을음 입자의 수 및 질량 농도를 측정 가능하게 한다. 테스트 볼륨에서 개별 입자를 검출하는 기능이 포함되어 있으므로 입자 크기도 측정 데이터로부터 결정될 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 입자 필터의 상태의 OBD 모니터링(OBD = On Board Diagnosis)에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 방법으로 작동되는 입자 센서는 반응 시간이 짧고 활성화 직후에 사용 가능하다.

가솔린 내연 기관을 포함한 차량에서 전형적으로 배출되는 매우 미세한 입자(낮은 질량, 많은 수)의 대부분이 콜드 스타트 동안 발생하기 때문에 특히 가솔린 차량에서 입자 수 측정 기능 및 차량 시동 직후 즉시 사용 가능성이 매우 중요하다.

본 발명은 매우 작은 그을음 입자도 확실하게 검출될 수 있도록 실제 신호와 신호 노이즈 사이의 관계를 개선 또는 최적화할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 방법에 의해 더 낮은 검출 한계가 예를 들어 23nm 미만의 입자 크기로 감소될 수 있다. 끝으로, 본 발명에 따른 방법 덕분에 단순화된 평가 알고리즘이 사용될 수 있으며, 계산 수고가 감소된다.

본 발명의 실시예에서 적어도 몇몇 시간 간격들이 중첩된다. 이는 감지된 열 복사를 특성화하는 변수를 완벽하게 평가할 수 있게 한다. 따라서, 시간 간격은 일종의 "슬라이딩 윈도우"일 수 있으며, 즉 검출기에 의해 제공된 변수가 시간 간격 동안 평가되고 예상 배경 소음과 비교되고, 상기 시간 간격이 예를 들어 특정 시간 프레임에서, 예를 들어 1㎲ 마다, 앞으로 "슬라이딩"되므로 항상 변수의 시간상 마지막 부분이 시간 간격 동안 평가된다.

본 발명의 실시예에서, 시간 간격의 지속 시간은 열 복사를 특성화하는 변수의 예상 FWHM 보다 더 크고, 특히 예상 FWHM의 대략 1 내지 2 배, 더 바람직하게는 대략 1.5 배이다. FWHM은 "반치전폭"또는 "반폭"을 의미하고, 이는 함수 값이 최대치의 절반으로 떨어진 2 개의 인수 값들 간의 차이이다. 이로써, 입자가 감지된 경우 감지된 열 복사를 특성화하는 변수의 프로파일의 전체 관련 영역이 평가될 수 있게 된다.

따라서, 검출기에 의해 제공된 변수가 예상 배경과 비교되고 입자의 검출 또는 비검출이 결정되는 시간 간격의 지속 시간은 검출기에 의해 제공된 변수의, 유체의 속도를 기반으로 결정된 예상 FWHM에 매칭된다. 시간 간격은 예를 들어 예상 FWHM의 1 배 또는 2 배일 수 있다. 시간 간격 또는 "평가 윈도우"의 지속 시간에 대한 이러한 매칭은 입자가 검출된 경우 예상 신호 주변의 불필요한 배경 잡음이 수집되지 않게 하여 신호 대 잡음비를 악화시키지 않는다.

본 발명의 실시예에서, 2 개의 인접하거나 또는 연속하는 시간 간격들의 중첩 기간이 시간 간격의 지속 시간의 적어도 절반에 상응한다. 이로써, 검출기에 의해 제공된 변수의 전체 프로파일에 대한 신뢰할 수 있는 평가가 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 열 복사를 특성화하는 변수 또는 그로부터 결정된 변수가 시간 간격 내에서 한계 값에 적어도 도달하면 입자가 검출된 것으로 간주된다. 이는 프로그램 기술상 쉽게 구현될 수 있다.

한계 값은 예상 배경 소음에 의존할 수 있다. 이로써, "민감도"가 예상 배경 소음에 매칭될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 적어도 몇몇의 연속하는 시간 간격들이 중첩되지 않지만, 바람직하게는 서로 직접 이어진다. 이 또한 프로그래밍 기술상 매우 쉽게 구현될 수 있다. 따라서, 열 복사를 특성화하는 변수는 시간상 고정된 시간 간격들에서 "수집"되며, 상기 시간 간격들은 예를 들어 FWHM의 0.5 배의 지속 시간을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 열 복사를 특성화하는 변수 또는 그로부터 결정된 변수가 적어도 2 개의 서로 직접 연속하는 시간 간격들 내에서 한계 값 또는 다수의 상이한 한계 값들에 적어도 도달하면 입자가 검출된 것으로 간주된다. 이로써 입자의 검출이 매우 쉽게 표시될 수 있다. 한계 값 또는 한계 값들은 예상 배경 잡음에 의존할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 열 복사를 특성화하는 변수는 연속 변수이고 바람직하게는 그로부터 시간 간격 내에서 적분이 평가의 범주에서 형성된다. 이는 예를 들어 검출기가 포토 다이오드인 경우 제공된다.

본 발명의 실시예에서 열 복사를 특성화하는 변수는 불연속 변수, 특히 다수의 펄스형 신호를 포함한다. 이는 검출기가 MPPC인 경우 제공된다. 평가의 범주에서 다수의 펄스형 신호가 시간 간격 내에 결정될 수 있다.

전술된 유형의 시간 간격들(중첩식/비중첩식)이 서로 조합될 수도 있으며 즉, 혼합된 형태로 구현될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 유체의 속도는 바람직하게는 큰 입자의 FWHM으로부터 결정되고, 결정된 상기 속도는 작은 입자의 검출을 위한 시간 간격들의 길이를 결정하는데 사용된다. SNR(신호 대 잡음비)은 입자가 큰 경우 특히 유리하다.

본 발명은 전술한 청구항들 중 적어도 어느 한 항에 따른 방법을 실시하도록 프로그래밍된 컴퓨터 프로그램, 상기 방법을 실시하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장된, 특히 내연 기관의 배기 시스템 내에 사용하기 위한 평가 장치용 전기 저장 매체, 그리고 상기 방법을 실시하도록 프로그래밍된 상태 머신, 특히 ASIC을 포함한다.

본 발명의 실시예들은 첨부된 도면을 참조하여 아래에 설명된다.

도 1은 본 발명에서 예를 들어 광 다이오드 형태의 검출기를 사용하여 적용되는 레이저 유도 백열에 기초한 측정 원리의 개략도이고;
도 2는 도 1에 원칙적으로 도시된 측정 원리를 이용한 입자 센서의 기본 구조의 개략도이고;
도 3은 도 2의 입자 센서의 구조를 설명하기 위한 블록도이고;
도 4는 입자를 포함한 유동 유체가 도시된 도 3의 입자 센서의 구조를 더 상세히 도시한 개략도이고;
도 5는 유동 유체의 제 1 속도에서, 시간에 따른, 도 4의 입자 센서의 검출기에 의해 제공되고 감지된 열 복사를 특성화하는 변수의 프로파일이 제 1 유형의 평가 시간 간격과 함께 도시되는 다이어그램이고;
도 6은 제 1 속도보다 높은 유동 유체의 제 2 속도에서 도 5와 유사한 다이어그램이고;
도 7은 유동 유체의 제 1 속도에서 제 2 유형의 평가 시간 간격을 포함한 도 1과 유사한 다이어그램이고;
도 8은 제 1 속도보다 높은 유동 유체의 제 2 속도에서 도 7과 유사한 다이어그램이고;
도 9는 검출기에 의해 제공된 다른 유형의 변수를 포함한 도 5와 유사한 다이어그램이고;
도 10은 입자를 검출하기 위한 방법의 흐름도이다.

기능적으로 동일한 요소들 및 영역들은 아래 설명에서 동일한 도면 부호로 표시된다.

도 1은 레이저 유도 백열("LII")에 기반한 측정 원리를 도시한다. 고강도의 레이저 광(10)은 입자(12), 예를 들어 내연 기관(미도시)의 배기 가스 흐름 내의 그을음 입자에 부딪힌다. 레이저 광(10)의 강도는 입자(12)에 의해 흡수된 레이저 광(10)의 에너지가 입자(12)를 섭씨 수천도로 가열할 정도로 높다. 가열의 결과로, 입자(12)는 자발적으로 그리고 실질적으로 바람직한 방향 없이 LII 광이라고도 하는 열 복사의 형태의 상당한 복사(14)를 방출한다. 따라서, 열 복사의 형태로 방출된 복사(14)의 일부가 입사 레이저 광(10)의 방향과 반대 방향으로도 방출된다.

도 2에는 입자 센서(16)의 실시예의 기본 구조가 개략적으로 도시된다. 여기서, 입자 센서(16)는 CW 레이저 모듈(18)(CW=연속파)을 포함하고, 상기 모듈의 바람직하게는 평행인 레이저 광(10)이 CW 레이저 모듈(18)의 빔 경로에 배치된 광학 요소(20)에 의해 매우 작은 스팟(22)에 포커싱된다. 스팟은 여기서 ㎛ 범위의 매우 작은 치수를 가진 체적 요소로 이해된다. 광학 요소(20)는 바람직하게는 렌즈(24)를 포함한다. 스팟(22)의 체적에서만 레이저 광(10)의 강도가 레이저 유도 백열에 필요한 높은 값에 도달한다.

스팟(22)의 치수는 수 ㎛의 범위, 특히 최대 200㎛의 범위에 있으므로, 스팟(22)을 가로 지르는 입자(12)가 레이저 유도 백열 또는 화학 반응(특히 산화)에 의해 여기되어 평가 가능한 복사 전력을 방출한다. 따라서, 스팟(22)에는 항상 최대 하나의 입자(12)가 놓이고 상기 최대 하나의 입자(12)로부터만 입자 센서(16)의 순간 측정 신호가 발생한다.

측정 신호는 특히 스팟(22)을 통해 비행하는 입자(12)로부터 나오는 복사(14), 특히 열 복사에 의해 검출되도록 입자 센서(16) 내에 배치된 검출기(26)에 의해 생성된다. 검출기(26)에 의해 제공된 측정 신호는 감지된 열 복사를 특성화하는 변수이다. 이를 위해, 검출기(26)는 바람직하게는 열 복사를 감지하고 정량화(시간 함수로서의 강도)를 가능하게 하는 적어도 하나의 포토 다이오드(26.1)를 포함한다. 따라서, 크기 및 속도와 같은 입자(12)에 대한 정보를 추출할 수 있게 하는 개별 입자 측정이 달성된다. 예를 들어 저렴한 SiPM(실리콘 광전자 증배관) 또는 SPAD 다이오드(단일 광자 애벌랜치 다이오드)가 포토 다이오드(26.1)로서 사용될 수 있다. 대안으로서, 검출기는 MPPC(다중 픽셀 광자 계수기)를 포함할 수도 있다.

따라서, 예를 들어 수십 개의 광자에 의해 형성되는, 매우 작은 입자에 의해 생성되므로 극히 작은 광 신호가 검출될 수 있다. 이로써, 겨우 검출 가능한 입자의 치수가 최대 10nm의 낮은 검출 한계로 감소된다.

레이저 모듈(18)의 레이저가 변조되거나 또는 스위칭 온 및 오프되는 것이 전적으로 가능하다(듀티 사이클 < 100%). 그러나 레이저 모듈(18)의 레이저가 CW 레이저인 것이 바람직하다. 이는 저렴한 반도체 레이저 요소(레이저 다이오드)의 사용을 가능하게 하여 전체 입자 센서(16)를 더 저렴하게 만들고 레이저 모듈(18)의 제어 및 측정 신호의 평가를 크게 단순화시킨다. 그러나 펄스 레이저의 사용이 배제되지는 않는다.

도 3은 입자 센서(16)의 가능한 실시예의 블록도를 도시한다. 레이저 광(10)을 방출하는 레이저 모듈(18)이 먼저 도시된다. 레이저 광(10)은 먼저 렌즈(29)에 의해 평행 빔으로 형성되어, 예를 들어 빔 스플리터 또는 다이크로익 미러(30) 형태의 빔 스플리터를 통과한다. 거기서부터 상기 빔이 광학 요소(20) 또는 렌즈(24)에 도달하고 더 포커싱된 형태로 스팟(22)에 도달한다.

레이저 광(10)에 의해 스팟(22)에서 여기된 입자(12)의 열 복사(14)(파선 화살표)는 렌즈(24)를 통해 다이크로익 미러(30)에 다시 도달하고, 여기에서는 예를 들어 90°로 편향되고 초점 렌즈(31)를 통과하고 필터(32)(반드시 제공되어야 하는 것은 아님)를 통해 검출기(26)의 포토 다이오드(26.1)에 도달한다(원칙적으로 열 복사가 먼저 필터를 통과한 다음, 초점 렌즈를 통과하는 것도 고려될 수 있다). 필터(32)는 레이저 광(10)의 파장을 필터링하도록 형성된다. 즉, 간섭 배경이 필터(32)에 의해 감소된다. 필터(32)를 포함하는 실시예는 특별히 레이저 소스(예를 들어, 레이저 다이오드)의 좁은 대역폭을 사용하므로 바로 이 좁은 대역폭이 검출기(26) 앞에서 필터링된다. 간단한 에지 필터의 사용도 고려될 수 있다. 이로써 신호 대 잡음비가 향상된다.

도 4는 연소 공정의 배기 가스 내에, 예를 들어 내연 기관의 배기 시스템 내에 그을음 입자 센서로서 사용하기에 적합한 입자 센서(16)의 바람직한 실시예를 보다 상세히 도시한다. 배기 가스는 특정 속도로 유동하는, 입자를 포함하는 유체의 예시를 형성한다.

입자 센서(16)는 외부 보호 튜브(44) 및 내부 보호 튜브(46)로 구성된 어셈블리를 포함한다. 이들 2 개의 보호 튜브들(44, 46)은 바람직하게는 일반적인 원통형 형상 또는 프리즘 형상을 가진다. 원통형 형상의 베이스 표면은 바람직하게는 원형, 타원형 또는 다각형이다. 실린더들은 바람직하게는 동축으로 배치되고, 실린더들의 축들은 배기 가스(48)의 유동에 대해 횡 방향으로 배향된다. 내부 보호 튜브(46)는 외부 보호 튜브(44)를 넘어 유동 배기 가스(48) 내로 축 방향으로 돌출된다. 2 개의 보호 튜브들(44, 46)의 유동 배기 가스(48)로부터 먼 단부 상에서 외부 보호 튜브(44)가 내부 보호 튜브(46)를 넘어 돌출된다. 2 개의 보호 튜브들(44, 46) 사이에 제 1 유동 단면이 생성될 정도로 외부 보호 튜브(44)의 내부 폭은 바람직하게는 내부 보호 튜브(46)의 외부 직경보다 훨씬 더 크다. 내부 보호 튜브(46)의 내부 폭은 제 2 유동 단면을 형성한다.

이러한 기하학적 구조는 배기 가스(48)가 제 1 유동 단면을 통해 2 개의 보호 튜브들(44, 46)의 어셈블리 내로 들어가고, 그 후 배기 가스(48)로부터 먼 보호 튜브들(44, 46)의 단부 상에서 방향을 변경하여, 내부 보호 튜브(46) 내로 들어오고, 지나가는 배기 가스(48)에 의해 상기 내부 보호 튜스로부터 흡입되게(화살표 49) 한다. 내부 보호 튜브(46) 내에 층류가 발생된다. 보호 튜브들(44, 46)의 이러한 어셈블리는 배기 가스(48)의 흐름 방향에 대해 횡 방향으로 그을음 입자 센서(16)와 함께 또는 배기 파이프(도시되지 않음) 상에 또는 내에 고정된다.

그을음 입자 센서(16)는 본 실시예에 도시되듯이 바람직하게는 평행한 레이저 광(10)을 생성하는 레이저(18)를 또한 포함한다. 위에서 이미 예시로서 언급된 다이크로익 미러(30) 형태의 빔 스플리터가 평행 레이저 광(10)의 빔 경로에 놓인다. 굴절되지 않고 빔 스플리터(30)를 통과하는 레이저 광(10)의 일부는 광학 요소(20)에 의해 내부 보호 튜브(46)의 내부의 매우 작은 스팟(22)에 포커싱된다. 이러한 스팟(22)에서 광 강도는 내부 보호 튜브(화살표 49) 내의 유동의 속도로 배기 가스(48)와 함께 운반된 입자(12)를 섭씨 수천도까지 가열하기에 충분히 높으므로, 가열된 입자(12)는 열 복사 형태의 상당한 복사(14)를 방출한다. 복사(14)는 예를 들어 근적외선 및 가시 스펙트럼 범위에 있지만 이러한 스펙트럼 범위로 제한되지 않는다.

열 복사("LII 광")의 형태로 방출된 이러한 무지향성 복사(14)의 일부는 광학 요소(20)에 의해 감지되고 빔 스플리터(30)를 통해 편향되고 렌즈(31) 및 필터(32)를 통해 검출기(26)로 향한다. 이러한 구조는 배기 가스(48)에 대한 단일 광학적 접근만이 필요하다는 특히 중요한 장점을 가지며, 그 이유는 스팟(22)의 생성 및 입자(12)로부터 나오는 열 복사(14)의 검출에 렌즈(24)를 포함한 동일한 광학 장치, 특히 동일한 광학 요소(20)가 사용되기 때문이다.

도 4의 대상에서, 레이저(18)는 레이저 다이오드(50) 및 상기 레이저 다이오드(50)로부터 방출되는 레이저 광(10)을 평행하게 정렬하는 렌즈(52)를 포함한다. 레이저 다이오드(50)의 사용에 의해 레이저 광(10)이 특히 비용 효율적이고 관리하기 쉽게 생성될 수 있다. 평행한 레이저 광(10)은 광학 요소(20)에 의해 스팟(22)에 포커싱된다.

입자 센서(16)는 바람직하게는 배기 가스에 노출되는 제 1 부분(16.1) 및 배기 가스에 노출되지 않은, 입자 센서(16)의 광학 구성 요소들을 구비한 제 2 부분(16.2)을 포함한다. 2 개의 부분들은 보호 튜브들(44, 46)과 입자 센서(16)의 광학 요소들 사이에서 연장되는 분리 벽(16.3)에 의해 분리된다. 벽(16.3)은 고온이며, 화학적으로 공격적이고 "더러운" 배기 가스(48)로부터 민감한 광학 요소를 격리하는 역할을 한다. 분리 벽(16.3) 내에서 레이저 광(10)의 빔 경로 내에 보호 창(54)이 제공되고, 상기 보호 창을 통해 레이저 광(10)이 배기 가스(48) 또는 유동(40) 내로 들어가고 상기 보호 창을 통해 스팟(22)으로부터 나오는 열 복사(14)가 광학 요소(20)에 입사되고 그곳에서부터 빔 스플리터(30) 및 필터(32)를 통해 검출기(26)로 입사될 수 있다. 입자 센서의 특히 민감한 구성 요소들, 예를 들어 레이저 및 검출기가 별도 하우징 내에 장착되는 것 그리고 배기 가스의 경우 배치된 광학 구성 요소들로/로부터 레이저 광 및/또는 열 복사를 전달하기 위해 예를 들어 다수의 유리 섬유 형태의 예를 들어 광 도파관이 사용되는 것도 가능하다.

입자 센서(16)는 검출기(26)에 의해 제공되고 감지된 열 복사를 특성화하는 변수의 평가를 검출기(26)의 신호에 기초하여 실시하도록 프로그래밍된 평가 장치(56)를 또한 포함한다. 이를 위해, 평가 유닛(56)은 추가로 도시되지 않은 구성 요소들, 예를 들어 마이크로 프로세서 및 아래에 설명된 방법을 실시하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장된 전기 저장 매체를 포함한다.

먼저, 도 5 내지 도 6이 참조된다. 이들 도면에는, 검출기(26)에 의해 검출된 열 복사(14)의 강도를 특성화하는, 검출기(26)에 의해 제공되는 이미 언급된 변수가 시간(t)에 따라 도시된다. 제공된 변수(이하 "측정 신호"라고 함)는 모든 도면들에서 도면 부호 58로 표시된다. 측정 신호(58)의 값은 S로 표시된다. 측정 신호(58)는 잡음에 상응하게 물결 모양 또는 지그재그 모양으로 연장되는 연속 변수이다.

입자가 열 복사(14)를 방출할 때, 그 외에는 일정한 낮은 레벨로 유지되는 측정 신호(58)가 증가된 값(최대 값(Smax))으로 상승한 후 다시 떨어진다. 반폭(FWHM 또는 반치전폭)은 도면에서 도면 부호 60의 이중 화살표로 표시된다. 도 5 및 6에서 직사각 상자들은 도면 부호 62a, 62b 및 62c로 표시된 시간 간격을 나타낸다. 본 실시예에서는 3 개의 시간 간격(62a-62c)만이 예시로서 도시된다. 그러나 실제로 시간 간격의 순서는 거의 무제한이다. 시간 간격(62a-62c)의 지속 시간(64)은 여기에서는 반폭(60)보다 크다. 본 실시예에서 상기 지속 시간은 반폭(60)의 약 1.5 배이다.

또한, 도 5 및 도 6에는 시간 간격들(62a-62c)이 중첩되는 것이 도시된다. 연속하는 시간 간격들(62a 및 62b 또는 62b 및 62c) 사이의 중첩 기간(66)은 일정하고 본 실시예에서는 시간 간격(62a-62c)의 지속 시간(64)의 약 75%이며, 즉 시간 간격(62a-62c)의 지속 시간(64)의 절반보다 크다.

시간 간격들(62a-62c)의 지속 시간(64)은 본 실시예에서 가변적이다. 상기 지속 시간은 예상 반폭(60)에 의존한다. 예상 반폭(60)은 스팟(22) 내의 배기 가스(48)의 유동(49)의 현재 속도에 의존하고 따라서 스팟(22) 내의 입자(12)의 예상 체류 시간에 의존한다. 내부 보호 튜브(46) 내의 배기 가스(48)의 유동(49)의 속도는 여기에서 예시로서 기술된 내연 기관에 사용되는 경우 내연 기관의 실제 작동 상태를 기초로, 예를 들어 현재 속도 및 토크를 기초로 그리고 외부 보호 튜브(44) 및 내부 보호 튜브(46)의 기하학적 구조를 기초로 결정되거나 또는 적어도 추정될 수 있다.

SNR(신호 대 잡음비)이 높고 따라서 여기에 설명된 방법에 크게 따르지 않는 크고 시간상 인접하게 나타나는 입자의 신호들로부터 예상 FWHM을 결정하는 것도 가능하다.

배기 가스(48)의 유동(49)의 속도에 대한 반폭(60) 및 시간 간격(62a-62c)의 지속 시간(64)의 의존성은 배기 가스(48)의 유동(49)의 속도가 비교적 낮은 경우에는 예상 반폭(60) 및 따라서 지속 시간(64)이 크지만(도 5), 배기 가스(48)의 유동(49)의 속도가 비교적 빠른 경우에는 예상 반폭(60) 및 따라서 지속 시간(64)이 작게(도 6) 이루어진다.

측정 신호(58)의 평가는 항상 시간 간격(62a-62c) 내에서만 각각 이루어진다. 예를 들어, 평가시 측정 신호(58)의 적분은 각각의 시간 간격(62a-62c) 내에서 형성되고, 즉 측정 신호(58) 아래의 표면이 각각의 시간 간격(62a-62c)의 한계들 내에서 계산된다. 따라서, 이러한 적분("적분 값")은 열 복사(14)를 특성화하는 변수로부터 결정된 변수이다. 각각의 시간 간격(62a-62c)에 대해 얻어진 적분 값이 한계 값과 비교된다. 적분 값이 한계 값에 도달하거나 초과하면 입자(12)가 검출된 것으로 간주된다.

평가의 대안적 유형이 도 7 및 도 8에 도시된다. 중첩되지 않지만 연속하고 서로 직접 이어진 시간 간격들(62a-62c)이 사용된다. 측정 신호(58)는 각각의 시간 간격(62a-62c) 내에서 측정 신호(58) 아래의 적분이 형성됨으로써 평가된다. 각각의 적분 값이 적어도 2 개의 직접 연속하는 시간 간격들 내에서, 본 실시예에서는 3 개의 직접 연속하는 시간 간격들(62a-62c) 내에서 한계 값에 도달하거나 초과하면 입자가 검출된 것으로 간주된다. 원칙적으로 시간 간격 각각에 대해 서로 다른 한계 값이 사용될 수 있는 것도 가능하다.

전술한 모든 방법에서, 그에 도달하거나 초과하면 입자(12)가 존재하는 것으로 추론될 수 있는 한계 값은 예상 배경 신호(노이즈)에 의존한다.

도 5 내지 도 8은 검출기(26)가 연속 측정 신호(58)를 제공하는 예를 들어 포토 다이오드(26.1)를 포함하는 실시예에 관한 것이다. 그러나 검출기(26)가 다수의 개별 광자 펄스(58) 형태의 불연속 측정 신호(58)를 제공하는 MPPC를 포함하는 것도 가능하다(도 9). 이 경우, 시간 간격(62) 내에서 계수된 단일 광자 펄스(58)의 수가 한계 값에 도달하거나 초과하면 입자(12)가 검출된 것으로 간주된다. 여기서도 시간 간격의 폭은 유체의 속도에 따라 조정된다.

입자(12)의 검출을 위해 위에서 일반적으로 설명된 방법이 이제 도 10을 참조하여 다시 설명된다: 블록(68)에서 시작한 후, 블록(70)에서 레이저(18)로부터 나오는 레이저 광(10)이 스팟(22) 내로 번들링된다. 블록(72)에서, 입자(12)를 포함한 유체, 즉 배기 가스(48)가 유동(49)에 의해 스팟(22)을 통해 통과된다. 블록(74)에서, 스팟(22)으로부터 나오는 열 복사(14)가 검출기(26)에 의해 감지된다. 블록(76)에서, 시간 간격들(62a-62c)의 지속 시간(64)이, 특히 블록(78)에서 제공되는 배기 가스(48)의 유동(49)의 속도에 따라 결정된다.

전술 했듯이, 검출기(26)는 전체적으로 파선으로 나타낸 평가 블록(80)에서 평가되는 측정 신호(58)를 제공한다. 구체적으로, 블록(82)에서, 각각의 시간 간격(62a-62c)에서 측정 신호(58) 아래에 놓이는 적분이 형성되거나(연속 측정 신호(58)의 경우), 또는 각각의 시간 간격(62) 내에 놓이는 단일 광자 펄스(58)의 수가 결정된다(불연속 측정 신호(58)의 경우). 블록 84에서, 결정된 적분 또는 결정된 수가 한계 값과 비교된다. 한계 값에 도달하거나 초과하면, 블록(86)에서 입자(12)가 검출된 것으로 가정한다. 반면에 한계 값에 도달하지 않으면, 블록(88)에서 입자(12)가 검출되지 않은 것으로 가정한다. 방법은 블록(90)에서 끝난다.

배기 가스(48)는 가능한 측정 가스의 하나의 예시일 뿐이다. 측정 가스는 다른 가스 또는 가스 혼합물일 수도 있다. 방법은 다른 시나리오 및 적용 영역에도 사용될 수 있다(예: 휴대용 배출 모니터링 시스템, 실내 공기질의 측정, 소각로(개인, 산업)의 배출).

도시된 입자 센서의 경우, 레이저 광 및/또는 열 복사가 광 도파관에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 안내될 수 있다.

가스 내의 입자/에어로졸 농도를 측정해야 하는 임의의 HV 코로나 센서에서 상기 방법을 사용하는 것도 가능하다.

10 레이저 광
12 입자
14 열 복사
18 레이저
22 스폿
48, 49 유체
56 평가 장치
58 변수, 신호
60 FWHM
62 시간 간격
64 지속 시간
66 중첩 기간

Claims

레이저 유도 백열 원리를 사용하여 유동 유체(48, 49) 내의 입자(12) 또는 에어로졸을 검출하는 방법에 있어서,
a. 레이저(18)로부터 나오는 레이저 광(10)을 스팟(22) 내로 번들링하는 단계,
b. 상기 입자(12) 또는 에어로졸을 포함한 유체(48, 49)를 상기 스팟(22)을 통해 통과시키는 단계,
c. 검출기(26)에 의해 상기 스팟(22)으로부터 나오는 열 복사(14)를 감지하는 단계, 및
d. 상기 유체(48, 49)의 속도에 의존하는 지속 시간(64)을 가진 시간 간격(46) 내에 상기 검출기(26)에 의해 제공된, 감지된 상기 열 복사(14)를 특성화하는 변수(58)를 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동 유체(48, 49) 내의 입자(12) 또는 에어로졸을 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서, 적어도 몇몇 시간 간격들(62)이 중첩되는 것을 특징으로 하는 유동 유체(48, 49) 내의 입자(12) 또는 에어로졸을 검출하는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 시간 간격(62)의 상기 지속 시간(64)이 상기 열 복사를 특성화하는 상기 변수(58)의 예상되는 FWHM(60)보다 크고, 특히 예상되는 상기 FWHM(60)의 약 1 배 내지 2 배, 더 바람직하게는 약 1.5 배인 것을 특징으로 하는 유동 유체(48, 49) 내의 입자(12) 또는 에어로졸을 검출하는 방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 중첩 기간(66)이 상기 시간 간격(62)의 상기 지속 시간(64)의 적어도 절반에 상응하는 것을 특징으로 하는 유동 유체(48, 49) 내의 입자(12) 또는 에어로졸을 검출하는 방법.
제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 복사(14)를 특성화하는 상기 변수 또는 그로부터 결정된 변수가 한계 값 또는 다수의 상이한 한계 값들에 적어도 도달하면, 입자(12)가 검출된 것으로 간주되는 것을 특징으로 하는 유동 유체(48, 49) 내의 입자(12) 또는 에어로졸을 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서, 적어도 몇몇의 연속하는 시간 간격들(62)이 중첩되지 않고 바람직하게는 직접 서로 이어지는 것을 특징으로 하는 유동 유체(48, 49) 내의 입자(12) 또는 에어로졸을 검출하는 방법.
제 6 항에 있어서, 적어도 2 개의 직접 연속하는 시간 간격들(62) 내에서 상기 열 복사(14)를 특성화하는 상기 변수 또는 그로부터 결정된 변수가 한계 값에 적어도 도달하면, 입자(12)가 검출된 것으로 간주되는 것을 특징으로 하는 유동 유체(48, 49) 내의 입자(12) 또는 에어로졸을 검출하는 방법.
제 5 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 한계 값이 예상 배경 신호에 의존하는 것을 특징으로 하는 유동 유체(48, 49) 내의 입자(12) 또는 에어로졸을 검출하는 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 복사를 특성화하는 상기 변수(14)가 연속 변수(58)이고 바람직하게는 상기 변수로부터 상기 시간 간격(62) 내에서 적분이 형성되는 것을 특징으로 하는 유동 유체(48, 49) 내의 입자(12) 또는 에어로졸을 검출하는 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 복사(14)를 특성화하는 상기 변수가 바람직하게는 펄스형 신호들(58)에 의해 형성된 불연속 변수(58)이고, 바람직하게는 상기 펄스형 신호들(58)의 합이 상기 시간 간격(62) 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 유동 유체(48, 49) 내의 입자(12) 또는 에어로졸을 검출하는 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체의 속도가 바람직하게는 큰 입자의 FWHM으로부터 결정되고, 그 후 결정된 상기 속도가 작은 입자의 검출을 위한 상기 시간 간격들의 길이를 결정하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 유동 유체(48, 49) 내의 입자(12) 또는 에어로졸을 검출하는 방법.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하도록 프로그래밍된 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장된 것을 특징으로 하는, 특히 내연 기관의 배기 시스템에 사용하기 위한 평가 장치(56)용 전기 저장 매체.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하도록 프로그래밍된 것을 특징으로 하는 특히 ASIC 형태의 상태 머신.