用于探测流动流体中的颗粒或者气溶胶的方法、计算机程序以及电存储介质

技术领域

本发明涉及一种根据并列权利要求的前序部分的、用于通过使用激光诱导白炽光(laserinduzierten Inkandeszenz)的原理来探测流动流体中的颗粒或者气溶胶的方法、一种计算机程序以及一种电存储介质。

背景技术

激光诱导白炽光(LII)的原理长久以来已经已知用于探测气体中的、例如空气中的纳米颗粒，并且例如也密集地用于表征实验室中的“以玻璃制成的”发动机的燃烧过程，或者用于实验室环境中的废气表征。在此，借助高功率激光器的纳秒脉冲将颗粒、烟灰颗粒加热到几千摄氏度，使得所述烟灰颗粒大量地(signifikant)发射热量辐射或者说热辐射。借助光探测器来测量颗粒的这种热诱导的光辐射。在此，小的颗粒的信号与由热效应和/或信号噪声造成的所谓的“背景信号”的区分是一个挑战。

发明内容

本发明所基于的问题通过具有权利要求1的特征的方法以及具有并列权利要求的特征的计算机程序和电存储介质来解决。在从属权利要求中说明有利的扩展方案。

根据本发明的方法用于探测流体、例如废气中的颗粒或者气溶胶。它通过使用激光诱导白炽光(LII)的原理来工作。在此，首先借助从激光器发出的且以足够高的强度被聚束在光点(Spot)(即，具有在μm范围内的最小尺寸的体积范围)中的激光，通过部分地吸收该激光将颗粒加热到几千度。该热的颗粒根据普朗克辐射定律发出特征热辐射(白炽光或者说热电子辐射(Glühemission))，该特征热辐射用作测量信号并且利用探测器被接收。这种热发射的光(热辐射)的光谱通常是相对较宽带的，其最大值在红色范围内(约750nm)。

为此目的，使用布置在激光器的射束路径中的光学元件，该光学元件构造和设置用于，将从激光器发出的激光聚束在非常小的光点中。当基于10

具体地，根据本发明的方法包括至少以下步骤：

a.将从激光器发出的激光聚束到光点中，

b.引导包含颗粒或者气溶胶的流体通过所述光点，

c.借助探测器检测从光点发出的热辐射，

d.在多个时间间隔内分析处理由探测器提供的、表征检测到的热辐射的参量，其中，所述时间间隔的持续时间取决于所述流体的速度。

在此，本发明利用以下事实：颗粒或者说气溶胶具有通过激光光点的典型的飞越时间，该飞越时间取决于已知且恒定的光点尺寸并且特别是取决于流体的可变速度，颗粒或者说气溶胶位于所述流体中。由此能够预测可能的持续时间，在该持续时间期间由探测器提供的信号基于探测到热辐射而发生改变。因此，能够将信号分析处理限制在该持续时间内，使得之前和之后存在的“背景信号噪声”能够被掩盖并且因此具有小的影响。

因此，本发明的目的是一种用于扩展信号分析处理的方法，其中，关于(例如来自内燃机的发动机控制器的)流体速度的信息用于：根据流体的速度来控制一个时间间隔(颗粒探测间隔)并且因此优化信噪比，在该时间间隔内分析处理表征检测到的热辐射的参量(例如强度随时间的变化)。在此，相比于流体速度低的情况，时间间隔在流体速度高的情况下更短。

根据本发明的方法允许测量在流动流体中的颗粒或者气溶胶的数量浓度和质量浓度，尤其是在柴油车辆和汽油车辆的废气中的烟灰颗粒。在此明确包括在测试体积中进行单颗粒探测的能力，使得能够由测量数据确定颗粒尺寸。在此，根据本发明的方法能够用于OBD监测(OBD＝On Board Diagnose，车载诊断)颗粒过滤器的状态。借助根据本发明的方法来运行的颗粒传感器具有短的响应时间并且在激活之后几乎立即准备就绪。

恰好在汽油车辆中，颗粒数量的可测量性以及在紧接着车辆启动的立即的准备就绪是非常重要的，因为在冷启动期间就产生了大部分在具有汽油内燃机的机动车中典型发射的非常细小的颗粒(质量低、数量多)。

本发明允许了在真实信号和信号噪声之间的比例的改善或者说优化，使得非常小的烟灰颗粒也能够被可靠地探测到。通过根据本发明的方法尤其能够降低下证实极限(Nachweisgrenze)，例如降低到23nm以下的颗粒尺寸。最后，由于根据本发明的方法能够使用简化的分析处理算法，由此降低了计算开销。

在本发明的一种扩展方案中设置，至少一些时间间隔重叠。这允许无缝地分析处理表征检测到的热辐射的参量。因此时间间隔可以是一类“滑动窗口(sliding window)”，也就是说，在一个时间间隔中分析处理由探测器提供的参量并且将其与期望的背景噪声进行比较，其中，该时间间隔以确定的时间光栅、例如每1μs地向前“推移”，使得总是在该时间间隔内分析处理参量的在时间上最后的部分。

在本发明的一种扩展方案中设置，所述时间间隔的持续时间大于表征热辐射的参量的期望FWHM，尤其是约为期望FWHM的1至2倍、更优选地约为期望FWHM的1.5倍。FWHM应理解为“半峰全宽(Full Width at Half Maximum)”或者说“半值宽度(Halbwertsbreite)”，其中涉及两个参数值(Argumentwerten)之间的差值，针对所述两个参数值的函数值下降到最大值一半。以这种方式实现了这种可能性：在检测到颗粒的情况下分析处理表征检测到的热辐射的参量的变化过程的完整相关区域。

因此，使时间间隔的持续时间匹配于基于流体的速度而求取到的、由探测器提供的参量的期望FWHM，在该时间间隔期间将由探测器提供的参量与期望背景相比较并且判断探测到或者未探测到颗粒。时间间隔的持续时间例如能够是期望FWHM的一倍或者两倍。时间间隔的或者“评估窗口(evaluation Windows)”的持续时间的匹配用于，不会不必要地收集在探测到颗粒的情况下所期望的信号周围的背景噪声，收集在探测到颗粒的情况下所期望的信号周围的背景噪声会使信噪比变差。

在本发明的一种扩展方案中设置，两个相邻的或者说彼此相继的时间间隔的重叠时间段相应于时间间隔的持续时间的至少一半。这允许可靠地分析处理由探测器提供的参量的整个变化过程。

在本发明的一种扩展方案中设置，当在一个时间间隔内表征热辐射的参量或者由热辐射求取的参量至少达到一个极限值，则认为探测到颗粒。这能够在编程技术上简单地被实现。

在此，极限值能够取决于期望背景噪声。以这种方式能够使“敏感度”匹配于期望背景噪声。

在本发明的一种扩展方案中设置，至少一些彼此相继的时间间隔不重叠，然而优选地直接彼此邻接。这在编程技术上同样能够非常简单地实现。表征热辐射的参量在时间上固定的间隔中“被收集”，所述时间上固定的间隔示例性地可以具有例如FWHM的0.5倍的持续时间。

在本发明的一种扩展方案中设置，当在至少两个直接彼此相继的时间间隔内表征热辐射的参量或者由热辐射求取的参量至少达到一个极限值或者多个不同的极限值时，则认为探测到颗粒。以这种方式，能够特别简单地显示颗粒的探测。在此，所述一个极限值或者说所述多个极限值再次可以取决于期望背景噪声。

在本发明的一种扩展方案中设置，表征热辐射的参量是连续的参量，并且优选在分析处理的范畴中在所述时间间隔内由所述连续的参量求积分。这适合于例如探测器是光电二极管的情况。

在本发明的一种扩展方案中设置，表征热辐射的参量包括不连续的参量、尤其是多个脉冲状信号。这适合于探测器是MPPC的情况。在分析处理的范畴内，然后由此能够在一个时间间隔内求取出多个脉冲状信号。

可以理解，上述时间间隔的类型(重叠/非重叠)也能够彼此结合，即能够实现为混合形式。

在本发明的一种扩展方案中设置，由优选大的颗粒的FWHM求取流体的速度，并且，该所求取的速度然后用于确定针对小的颗粒的探测的时间间隔的长度。在大的颗粒的情况下，SNR(signal-to-noise-ratio，信噪比)特别地有利。

本发明还包括一种计算机程序，以及一种用于分析处理装置的电存储介质，尤其是用于在内燃机的排气系统中使用，最后还包括一种状态机、尤其是ASIC，所述计算机程序编程用于执行根据以上权利要求中任一项的方法，在所述电存储介质上存储有用于执行上述方法的计算机程序，所述状态机编程用于实施上述方法。

附图说明

下面参考附上的附图阐述本发明的实施方式。在附图中示出：

图1示出基于激光诱导白炽光的测量原理，在本发明中通过使用示例性地光电二极管形式的探测器来使用该测量原理；

图2示出颗粒传感器的理论结构，该颗粒传感器使用在图1中理论上示出的测量原理；

图3示出用于阐述图2的颗粒传感器的结构的方框图；

图4示出图3的颗粒传感器的结构的更详细的图示，包括其中存在颗粒的流动流体的表示；

图5示出在流动流体的第一速度的情况下由图4的颗粒传感器的探测器提供的、表征检测到的热辐射的参量在时间上的变化过程连同第一类型分析处理-时间间隔的图表，

图6示出在流动流体的第二速度的情况下的类似于图5的图表，该第二速度高于第一速度；

图7示出在流动流体的第一速度的情况下具有第二类型分析处理-时间间隔的类似于图5的图表；

图8示出在流动流体的第二速度的情况下类似于图7的图表，该第二速度高于第一速度；

图9示出类似于图5的图表，然而具有与探测器提供的参量不同的类型；以及

图10示出用于探测颗粒的方法的流程图。

功能等同的元件和区域在以下描述中具有相同附图标记。

具体实施方式

图1示出基于激光诱导白炽光(LII)的测量原理。高强度的激光10照射到颗粒12上，例如在内燃机(未示出)的废气流中的烟灰颗粒上。激光10的强度如此高，使得激光10的由颗粒12吸收的能量将颗粒12加热到几千摄氏度。作为加热的结果，颗粒12自发地且基本上没有优先方向地大量地以热辐射的形式发射辐射14，也称为LII光。因此，以热辐射形式发射的辐射14的一部分也以与入射的激光10的方向相反的方向进行发射。

图2示意性地示出颗粒传感器16的一个实施例的原理结构。颗粒传感器16在此具有CW激光器模块18(CW：continuous wave；即连续波)，借助布置在CW激光器模块18的射束路径中的至少一个光学元件20将所述CW激光器模块的优选平行的激光10聚焦到非常小的光点22上。在此，光点理解为具有在μm范围内的非常小的尺寸的体积元素。光学元件20优选包括透镜24。仅仅在光点22的体积中，激光10的强度才达到对于激光诱导白炽光所需的高值。

光点22的尺寸处于几微米、尤其最高200μm的范围内，使得激励横穿光点22的颗粒12辐射可分析处理的辐射功率，无论是通过激光诱导白炽光还是通过化学反应(尤其氧化)。作为结果可以认为：始终最多一个颗粒12处于光点22中并且颗粒传感器16的瞬时测量信号仅来自该最多一个颗粒12。

该测量信号由探测器26产生，所述探测器如此布置在颗粒传感器16中，使得所述探测器探测从飞越光点22的颗粒12发出的辐射14、尤其热辐射。就此而言，由探测器26提供的测量信号是表征检测到的热辐射的参量。为此，探测器26优选具有至少一个光电二极管26.1，该至少一个光电二极管检测热辐射并且实现了量化(强度作为时间的函数)。借此能够实现单颗粒测量：所述单颗粒测量能够实现提取关于颗粒12的信息，例如大小和速度。作为光电二极管26.1例如考虑成本有利的SiPM(silicon photomultiplier，硅光电倍增管)或者SPAD二极管(single-photon avalanche diode，单光子雪崩二极管)。替代地，探测器也可以包括MPPC(Multi-Pixel-Photon-Counter，多像素光子计数器)。

结果，已经能够探测到由特别小的颗粒产生的且因此极其小的光信号，所述光信号例如由几十个光子形成。因此，恰好仍可证实的颗粒的尺寸减小到至多10nm的下证实极限。

完全可能的是，对激光器模块18的激光器进行调制或者说接通和关断(占空比<100％)。然而优选地，激光器模块18的激光器是CW激光器。这实现了成本有利的半导体激光元件(激光二极管)的使用，这使整个颗粒传感器16变廉价并且大幅简化激光器模块18的操控和测量信号的分析处理。但是不排除使用脉冲式的激光器。

图3示出颗粒传感器16的一种可能实施方式的方框图。首先看到发射激光10的激光器模块18。激光10通过透镜29首先被成型(formen)为平行射束，该平行射束穿过例如射束分裂器或者二向色镜30形式的分束器。该平行射束从那里到达光学元件20或者说透镜24并且进一步以聚焦的形式到达光点22。

在光点22中通过激光10激励的颗粒12的热辐射14(虚线箭头)又通过透镜24返回到达二向色镜30，在那里该热辐射在本文中示例性地偏转90°、穿过聚焦透镜31并且通过滤波器32(该滤波器不一定存在)到达探测器26的光电二极管26.1(原则上也可以设想，热辐射首先穿过滤波器，然后穿过聚焦透镜)。滤波器32如此构造，使得它滤除激光10的波长。通过滤波器32降低干扰性的背景。具有滤波器32的实施例特别地充分利用激光源(例如激光二极管)的窄带宽，其方式是，恰好在探测器26前方滤除该窄带宽。也可以设想使用简单的边缘滤波器。由此极大地改善信噪比。

图4更详细地示出颗粒传感器16的一种有利的实施例，该颗粒传感器适合于用作燃烧过程的废气中、例如在内燃机的排气系统中的烟灰颗粒传感器。就此而言，废气形成以确定的速度流动的、含有颗粒的流体的示例。

颗粒传感器16具有由外保护管44和内保护管46组成的装置。优选地，这两个保护管44、46具有通常的柱体形状(Zylinderform)或者棱柱体形状。柱体形状的底面优选地是圆形、椭圆形或多边形。柱体优选同轴地布置，其中，柱体的轴线横向于废气48的流

该几何形状导致，废气48通过第一流横截面进入到两个保护管44、46的装置中，然后在保护管44、46的背向废气48的端部处改变其方向、进入到内保护管46中并且被流过的废气48从内保护管吸出(具有附图标记49的箭头)。在此，在内保护管46中产生层流(laminare

此外，烟灰颗粒传感器16具有激光器18，该激光器优选如在本文中所示出地产生平行的激光10。在平行的激光10的射束路径中存在以上面示例性提及的二向色镜30形式的分束器。激光10的在不转向的情况下通过分束器30的部分通过光学元件20聚焦成内保护管46的内部中的非常小的光点22。在该光点22中，光强度高到足以将与废气48一起以流(箭头49)的速度在内保护管中被输送的颗粒12加热到几千摄氏度，使得经加热的颗粒12大量地发射以热辐射形式的辐射14。辐射14例如处于近红外的光谱范围和可见的光谱范围内，而不限于所述光谱范围。

无方向性地以热辐射的形式发射的辐射14(LII光)的一部分由光学元件20检测到并且通过分束器30被偏转并且通过透镜31和滤波器32而对准探测器26。该结构具有特别重要的优点：仅需要唯一的至废气48的光学通道，因为使用同一光学器件、尤其是具有透镜24的同一光学元件20用于产生光点22并且用于检测从颗粒12发出的热辐射14。

在图4的主题中，激光器18具有激光二极管50和透镜52，所述透镜使由激光二极管50发出的激光10平行地取向。激光二极管50的使用代表一个用于产生激光10的特别成本有利的且简单可操作的可能性。平行的激光10通过光学元件20聚焦成光点22。

优选地，烟灰颗粒传感器16具有暴露于废气的第一部分16.1和不暴露于废气的第二部分16.2，所述第二部分含有颗粒传感器16的光学部件。两个部分通过分离壁16.3分离，所述分离壁在保护管44、46与颗粒传感器的光学元件之间延伸。壁16.3用于敏感的光学元件与热的、化学侵蚀的且“脏的”废气32的隔离。在分离壁16.3中，在激光10的射束路径中安装有保护窗54，激光10穿过所述保护窗入射到废气48或者说流49中，并且从光点22发出的热辐射14能够通过所述保护窗入射到光学元件20上并且从光学元件出来通过分束器30和滤波器32入射到探测器26上。也可以设想，颗粒传感器的特别敏感的部件、例如激光器和探测器被安置在单独的壳体中，并且，为了将激光和/或热辐射输送到布置在废气处的光学部件/从布置在废气处的光学部件输送激光和/或热辐射，例如使用例如以一个或者多个玻璃纤维形式的光波导。

颗粒传感器16还可以具有分析处理装置56，该分析处理装置编程用于：基于探测器26的信号，对由探测器26提供的、表征检测到的热辐射的参量执行分析处理。为此，分析处理单元56具有未进一步示出的部件，例如微处理器和电存储介质，在该电存储介质上存储有用于实施下面阐述的方法的计算机程序。

首先参考图5和图6。在所述附图中，绘制出上面已经提及且由探测器26提供的参量随时间t的变化，所述参量表征由探测器26检测到的热辐射14的强度。所提供的参量(以下称为“测量信号”)在所述附图中整体地具有附图标记58。以S表示测量信号58的值。可以看出，测量信号58是连续的参量，然而其以波形或者说锯齿形延伸，这相应于噪声。

当颗粒发射热辐射14时，在其他情况下保持为恒定低水平的测量信号58上升到提高的值(最大值Smax)并且然后再次下降。半峰全宽(英语：FWHM或者说Full Width at HalfMaximum)在所述附图中由带有附图标记60的双箭头表示。在图5和6中通过矩形框表示时间间隔，所述时间间隔具有附图标记62a、62b和62c。在本文中，示例性地仅绘制出三个时间间隔62a-c。然而，实际上存在几乎无限的时间间隔序列。在此，时间间隔62a-c的持续时间64在本文中大于半峰全宽60。该时间间隔的持续时间在本文中约为半峰全宽60的1.5倍。

从图5和图6还可以看出，时间间隔62a-c重叠。在彼此相继的时间间隔62a和62b或者说62b和62c之间的重叠时间段66是恒定的并且在本文中约为一个时间间隔62a-c的持续时间64的75％，即大于一个时间间隔62a-c的持续时间64的一半。

时间间隔62a-c的持续时间64在本文中是可变的。它取决于期望的半峰全宽60。期望的半峰全宽60又取决于光点22中的废气48的流49的当前速度并且因此取决于光点22中的颗粒12的期望的、可能的停留时间。在本文中示例性描述的内燃机的应用情况中，根据内燃机的当前运行状态来求取或者至少估计内保护管46内的废气48的流49的速度，例如根据当前转速和当前转矩并且根据外保护管44和内保护管46的几何形状。

也可以设想，由大的、时间上相邻出现的颗粒的信号确定期望FWHM，所述颗粒具有高的SNR(信噪比)并且因此不那么依赖于在此描述的方法。

半峰全宽60与废气48的流49的速度的相关性并且因此时间间隔62a-c的持续时间64与废气48的流49的速度的相关性是这样的：在废气48的流49的速度相对低的情况下，期望的半峰全宽60并且因此持续时间64更大(图5)，反之，在废气48的流49的速度相对高的情况下，期望的半峰全宽60并且因此持续时间64更小(图6)。

测量信号58的分析处理分别总是仅在一个时间间隔62a-c内进行。在分析处理时，例如在相应的时间间隔62a-c内对测量信号58求积分，即在相应的时间间隔62a-c的界限内计算测量信号58下方的面积。该积分(“积分值”)因此是由表征热辐射14的参量求取的参量。然后，将针对每个时间间隔62a-c所获得的积分值与极限值进行比较。当积分值达到或者超过极限值时，则认为探测到颗粒12。

在图7和图8中示出分析处理的一个替代的类型。在那里不使用重叠的时间间隔，而是使用彼此相继且直接彼此邻接的时间间隔62a-c。再次分析处理测量信号58，其方式是，在每个时间间隔62a-c内在测量信号58下方求积分。当在至少两个直接彼此相继的时间间隔内、在本文中示例性地在三个直接彼此相继的时间间隔62a-c内相应的积分值达到或者超过极限值时，则认为探测到颗粒12。原则上在此可以设想，能够针对时间间隔中的每个使用不同的极限值。

上述所有方法中，极限值能够取决于期望的背景信号(噪声)，在达到或者说超过所述极限值时推断出颗粒12的存在。

图5至图8涉及一种实施方式，其中，探测器26示例性地包括光电二极管26.1，所述光电二极管提供连续的测量信号58。然而同样可能的是(图9)，探测器26包括MPPC，该MPPC提供多个单光子脉冲58的形式的不连续的测量信号。在这种情况下，当在时间间隔62内所计数的单光子脉冲58的数量达到或者超过极限值时，认为探测到颗粒12。在此，此处也根据流体的速度来匹配时间间隔的宽度。

现在再次参考图10阐述上面一般性描述的、用于探测颗粒12的方法：在方框68中开始之后，在方框70中，从激光器18发出的激光10被聚束到光点22中。在方框72中，借助流49引导流体、即含有颗粒12的废气48穿过光点22。在方框74中，借助探测器26检测由光点22发出的热辐射14。在方框76中，确定时间间隔62a-c的持续时间64，具体而言，根据在方框78中提供的、废气48的流49的速度确定时间间隔62a-c的持续时间64。

如上所述，探测器26提供测量信号58，整体地在以虚线绘制的分析处理方框80中分析处理该测量信号。详细地，在方框82中在每个时间间隔62a-c中，(在连续的测量信号58的情况下)对测量信号58下方求积分，或者说(在不连续的测量信号58的情况下)求取在每个时间间隔62内的单光子脉冲58的数量。在方框84中，将所求取的积分或者说所求取的数量与极限值进行比较。如果达到或者超过了该极限值，则在方框86中认为探测到了颗粒12。反之，如果没有达到该极限值，则在方框88中认为没有探测到颗粒12。该方法终止于方框90。

废气48仅仅是可能的测量气体的示例。测量气体也能够是其他气体或气体混合物。所述方法也能够用于其他场景和应用领域(例如便携式辐射监测系统、室内空气质量测量、燃烧设备(私人、工业)的辐射)。

在所示出得颗粒传感器中，激光和/或热辐射也能够全部或者部分地借助光波导来传导。

附加地可以设想的，将所述方法使用在任意HV电晕传感器(HV-Korona-Sensoren)中，所述HV电晕传感器应测量气体中的颗粒/气溶胶浓度。