WO2010060686A1 - Optical sensor for measuring the concentration of a component of an exhaust gas - Google Patents
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Abstract
A sensor for measuring the concentration of a component of an exhaust gas (102), the sensor (1) comprising a light source (11), a measuring cell (12) and an optical detector (13), light (101) generated by the light source (11) reaching the measuring cell (12) and from there reaching the optical detector (13), characterized in that the sensor (1) further comprises at least one entry means (70), by which the exhaust gas (102) enters the measuring cell (12) and by which entry of the exhaust gas (102) into the measuring cell (12) can be prevented for at least parts of the exhaust gas (102).
Description
Beschreibung description
Titeltitle
OPTISCHER SENSOR ZUR MESSUNG DER KONZENTRATION EINES BESTANDTEILS EINES ABGASESOPTICAL SENSOR FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF AN INGREDIENT OF AN EXHAUST
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem optischen Sensor nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.The invention is based on an optical sensor according to the preamble of the independent claim.
Ein optischer Sensor zur Messung von Bestandteilen von Abgasen von Brennkraftmaschinen, zum Beispiel NOx, HC, CO oder Ruß, ist aus der DE 40 03 176 Al bekannt. Dieser optische Sensor weist eine Lichtquelle, eine Messstrecke und einen Messstreckenlichtempfänger auf, wobei von der Lichtquelle erzeugtes Licht die Messstrecke durchstrahlt und anschließend, nach Ablenkung an einem Reflektor, dem Messstreckenlichtempfänger zugeführt wird. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird die Messstrecke vom Abgas der Brennkraftmaschine durchströmt. Ebenfalls aus der DE 40 03 176 Al ist bekannt, dass durch die Wechselwirkung mit dem Abgas bestimmte Anteile des Lichts mehr oder weniger stark absorbiert werden. Es ist vorgesehen, dass basierend auf dem dem Messstreckenlichtempfänger zugeführten Licht in einer nachgeschalteten Auswerteeinheit auf die Konzentration von im Abgas vorhandenen Bestandteilen geschlossen wird.An optical sensor for measuring components of exhaust gases of internal combustion engines, for example NO x , HC, CO or soot, is known from DE 40 03 176 Al. This optical sensor has a light source, a measurement path and a measurement path light receiver, wherein light generated by the light source passes through the measurement path and is then, after deflection at a reflector, supplied to the measurement path light receiver. During operation of the internal combustion engine, the measuring section is traversed by the exhaust gas of the internal combustion engine. It is also known from DE 40 03 176 Al that certain proportions of the light are absorbed more or less strongly by the interaction with the exhaust gas. It is provided that, based on the light supplied to the measurement path light receiver, the concentration of components present in the exhaust gas is concluded in a downstream evaluation unit.
Nachteilig an einem solchen optischen Sensor ist es, dass der gesamte optische Sensor stets sämtlichen Bestandteilen des Abgases ausgesetzt ist. Nachteilig an einem solchen optischen Sensor ist es insbesondere, dass im Abgas enthaltene Partikel sich im Bereich von von Licht durchstrahlten Oberflächen optischer Elemente, beispielsweise der Lichtquelle, des Reflektors oder des Messstreckenlichtempfängers, niederschlagen können. Hierdurch wird Licht absorbiert und die Messgenauigkeit des optischen Sensors reduziert. Enthält das Abgas Kondenswasser, so kann dieses ebenfalls zu optischen
Elementen des Sensors gelangen und so die Ausbreitung des Lichts stören.A disadvantage of such an optical sensor is that the entire optical sensor is always exposed to all components of the exhaust gas. A disadvantage of such an optical sensor is in particular that particles contained in the exhaust gas can precipitate in the region of surfaces of optical elements, for example the light source, the reflector or the measuring light receiver, which are irradiated by light. As a result, light is absorbed and the measurement accuracy of the optical sensor is reduced. Contains the exhaust condensation, so this can also be optical Get elements of the sensor and thus disturb the propagation of light.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Erfindungsgemäße optische Sensoren mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 haben demgegenüber den Vorteil, dass eine hohe Messgenauigkeit langfristig sichergestellt ist.In contrast, optical sensors according to the invention with the characterizing features of independent claim 1 have the advantage that a high measuring accuracy is ensured in the long term.
Hierfür ist es vorgesehen, dass der Sensor mindestens ein Zutritts mitte I umfasst, durch das ein Zutritt des Abgases in die Messzelle erfolgt und durch das ein Zutritt des Abgases in die Messzelle für zumindest Teile des Abgases unterbindbar ist.For this purpose, it is provided that the sensor comprises at least one access center I, through which an admission of the exhaust gas into the measuring cell takes place and by which an access of the exhaust gas into the measuring cell for at least parts of the exhaust gas can be prevented.
Auf diese Weise kann der Zutritt von Bestandteilen des Abgases, die in der Messzelle unerwünscht sind, unterbunden oder zumindest vermindert werden. Alternativ ist es möglich, in bestimmten Zeiträumen, insbesondere in solchen Zeiträumen, in denen keine Messungen erfolgen oder in denen im Abgas die Konzentration von Bestandteilen des Abgases, die in der Messzelle unerwünscht sind, besonders hoch ist, einen Zustrom von Abgas zu der Messzelle gänzlich oder zumindest weitgehend zu unterbinden.In this way, the access of components of the exhaust gas, which are undesirable in the measuring cell, can be prevented or at least reduced. Alternatively, it is possible in certain periods, in particular in those periods in which no measurements are made or in which the concentration of components of the exhaust gas, which are undesirable in the measuring cell, is particularly high in the exhaust gas, an influx of exhaust gas to the measuring cell entirely or at least largely prevent.
Die Betrachtung der Abgasströme ist im Rahmen dieser Erfindung so zu verstehen, dass auch geringfügige Undichtigkeiten der Anordnung umfasst sind, vorausgesetzt, der Abgasfluss entlang der beschriebenen und vorgesehenen Pfade ist um viele Größenordnungen größer als der Abgassfluss durch etwaige Nebenschlüsse.The consideration of the exhaust gas streams is to be understood in the context of this invention that also minor leaks of the arrangement are included, provided that the exhaust flow along the described and provided paths is many orders of magnitude greater than the exhaust flow through any shunts.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung besteht das Zutrittsmittel aus einem Filter, der insbesondere ein keramisches und/oder metallisches Material aufweist. Der Filter weist insbesondere eine mittlere Porengröße im Bereich von 100 nm bis 10 μm auf.In an advantageous further development of the invention, the access means consists of a filter, which in particular has a ceramic and / or metallic material. In particular, the filter has an average pore size in the range of 100 nm to 10 μm.
Bei hoher Betriebsdauer kann es unter Umständen zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes durch den Filter kommen, da sich in den Poren des Filters feste Bestandteile des Abgases, insbesondere Ruß, sammeln. Es ist daher vorteilhaft, ein insbesondere als elektrische Widerstandsheizung ausgebildetes Mittel vorzusehen, das einer Beheizung des Filters dient, sodass diese Partikel gezündet und verbrannt werden können und der Filter somit regeneriert wird.
Es ist vorteilhaft möglich, den Sensor mit einem Gehäuse auszuführen und den Filter in dem Gehäuse anzuordnen, beispielweise so, dass der Filter die Messzelle des Sensors im Wesentlichen umgibt.In the case of a long service life, an increase in the flow resistance through the filter may occur, since solid components of the exhaust gas, in particular soot, accumulate in the pores of the filter. It is therefore advantageous to provide a means which is designed in particular as an electrical resistance heater and which serves to heat the filter so that these particles can be ignited and burnt and the filter is thus regenerated. It is advantageously possible to design the sensor with a housing and to arrange the filter in the housing, for example in such a way that the filter essentially surrounds the measuring cell of the sensor.
Vorteilhafterweise wird der Sensor so im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordnet, dass der Sensor an keiner Stelle des Abgasstrangs mehr als 40%, vorzugsweise an keiner Stelle des Abgasstrangs mehr als 25%, des Querschnitts des Abgasstrangs, gemessen senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases, ausfüllt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Sensor die Strömung im Abgasstrang des Verbrennungsmotors nicht oder nur geringfügig behindert.Advantageously, the sensor is arranged in the exhaust line of an internal combustion engine, that the sensor at any point of the exhaust system more than 40%, preferably at any point of the exhaust system more than 25%, the cross section of the exhaust line, measured perpendicular to the flow direction of the exhaust fills. In this way it is ensured that the sensor does not obstruct the flow in the exhaust line of the internal combustion engine or only slightly.
Eine weitere vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung sieht vor, dass das Zutrittsmittel ein Ventil, insbesondere ein Proportionalventil oder ein Schaltventil, ist, durch das ein Zutritt des Abgases in die Messzelle zumindest zeitweise gedrosselt oder ganz unterbunden werden kann. Es ist somit möglich, einen Zutritt von Abgas in die Messzelle nur dann vorzunehmen, wenn tatsächlich eine Messung der Konzentration eines Bestandteiles des Abgases durchgeführt werden soll. Dies kann, zum Beispiel im Rahmen einer On-Board-Diagnose, in regelmäßigen Zeitabständen der Fall sein. Vorteil ist, dass eine Kontamination der Messzelle, zum Beispiel mit Ruß, in der übrigen Zeit vermindert oder vollständig vermieden wird.A further advantageous development of the invention provides that the access means is a valve, in particular a proportional valve or a switching valve, by which an access of the exhaust gas into the measuring cell can be at least temporarily throttled or completely prevented. It is thus possible to only allow exhaust gas to enter the measuring cell when a measurement of the concentration of a component of the exhaust gas is actually to be carried out. This may be the case, for example in the context of an on-board diagnosis, at regular intervals. The advantage is that a contamination of the measuring cell, for example with soot, in the remaining time is reduced or completely avoided.
Die Vorsehung einer Heizvorrichtung, insbesondere einer elektrischen Widerstandsheizung, zur Beheizung von mindestens einer die Messzelle begrenzenden und/oder mit dem Abgas in Kontakt stehenden optischen Komponente, zum Beispiel der Lichtquelle oder des optischem Detektors oder eines Spiegels oder eines Fensters oder einer optischen Faser, stellt eine vorteilhafte Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung dar. Durch die Beheizung der an die Messzelle angrenzenden optischen Komponente bildet sich in der der beheizten Fläche benachbarten Gasschicht ein Temperaturgradient aus. Es hat sich herausgestellt, dass hieraus eine Thermodiffusion resultiert, die geeignet ist, die Rate der Anlagerung von Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln, auf der Oberfläche dieser Komponente deutlich herabzusetzen, insbesondere, wenn die Temperatur der optischen Komponente mindestens 50 Kelvin höher als die des Abgases in der Messzelle ist.The provision of a heating device, in particular an electrical resistance heater, for heating at least one optical component limiting the measuring cell and / or in contact with the exhaust gas, for example the light source or the optical detector or a mirror or a window or an optical fiber an advantageous further development of the present invention. By heating the optical component adjacent to the measuring cell, a temperature gradient is formed in the gas layer adjacent to the heated surface. It has been found that this results in a thermal diffusion, which is capable of significantly reducing the rate of deposition of particles, in particular soot particles, on the surface of this component, in particular, when the temperature of the optical component at least 50 Kelvin higher than that of the exhaust gas is in the measuring cell.
Das Abgas in der Messzelle hat typischerweise eine hohe Temperatur. Es ist daher vorteilhaft, eine temperaturempfindliche optische Komponente, insbesondere die
Lichtquelle und/oder den optischen Detektor, nicht in unmittelbarer Nähe der Messzelle, sondern beabstandet von dieser anzuordnen, wobei es ferner vorteilhaft ist, diese optische Komponente über ein Mittel zur Lichtleitung, insbesondere über ein Fenster und/oder eine optische Faser, insbesondere eine Polymodenfaser, mit der Messzelle zu verbinden.The exhaust gas in the measuring cell typically has a high temperature. It is therefore advantageous to use a temperature-sensitive optical component, in particular the Light source and / or the optical detector, not in the immediate vicinity of the measuring cell, but spaced from this to arrange, it is also advantageous, this optical component via a means for light conduction, in particular via a window and / or an optical fiber, in particular a Polymodenfaser to connect with the measuring cell.
Um eine besonders hohe Messgenauigkeit des Sensors zu erreichen, ist es vorteilhaft, dass das von der Lichtquelle erzeugte Licht die Messzelle mehrfach, vorzugsweise mehr als zweimal, durchstrahlt, bevor es auf den optischen Detektor gelangt. In einfacher Art und Weise kann dabei sichergestellt werden, dass ein großer Teil des von der Lichtquelle erzeugten Lichts den Detektor erreicht, wenn das Licht mindestens einmal an einem Spiegel im Bereich der Messzelle reflektiert wird, wobei der Spiegel eine vorzugsweise gekrümmte Oberfläche aufweist.In order to achieve a particularly high measuring accuracy of the sensor, it is advantageous for the light generated by the light source to pass through the measuring cell several times, preferably more than twice, before it reaches the optical detector. In a simple manner it can be ensured that a large part of the light generated by the light source reaches the detector when the light is reflected at least once at a mirror in the region of the measuring cell, wherein the mirror has a preferably curved surface.
Um eine hohe Strahlqualität und damit eine besonders hohe Messgenauigkeit des Sensors zu erreichen, ist es vorteilhaft, eine Lichtquelle mit einer hohen räumlichspektralen Leistungsdichte auszuwählen. Bevorzugt ein Diodenlaser, insbesondere ein Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL)zum Einsatz. Besonders vevorzugt kommen solche Diodenlaser zum Einsatz die auf III - IV Halbleitermaterialien basieren, zum Beispiel InP, GaInASN, AIGalnAs/lnP und AIGaAsSb/InP. Um sicherzustellen, dass der Laserstrahl nach Durchgang durch die Messzelle zuverlässig den optischen Detektor trifft, ist es vorteilhaft, dass der optische Detektor oder ein weiterer Detektor eine Information über den Auftreffpunkt des Laserstrahls auf den optischen Detektor liefert und dass ein optisches Element, an dem der Laserstrahl umgelenkt wird, insbesondere ein Spiegel, über eine Aktorik räumlich ausgelenkt werden kann. Mittels des optischen Detektors und/oder des weiteren Detektors und der Aktorik und einer elektrischen Regelschaltung ist es vorteilhaft möglich, eine Strahllagestabilisierung zu realisieren, die das einwandfreie Auftreffen des Laserstrahls auf den Detektor auch bei langen Strahlwegen, Mehrfachdurchstrahlung der Messzelle und hohen Temperaturschwankungen über die Lebensdauer des Sensor sicherstellt.In order to achieve a high beam quality and thus a particularly high measurement accuracy of the sensor, it is advantageous to select a light source with a high spatial-spectral power density. Preference is given to using a diode laser, in particular a cavity surface-emitting laser (VCSEL). Particularly preferred are diode lasers based on III-IV semiconductor materials, for example InP, GaInASN, AIGalnAs / lnP and AIGaAsSb / InP. In order to ensure that the laser beam reliably hits the optical detector after passing through the measuring cell, it is advantageous for the optical detector or another detector to provide information about the point of impact of the laser beam on the optical detector and for an optical element on which the optical detector Laser beam is deflected, in particular a mirror, can be spatially deflected by an actuator. By means of the optical detector and / or the further detector and the actuators and an electrical control circuit, it is advantageously possible to realize a beam position stabilization, the perfect impact of the laser beam on the detector even with long beam paths, multiple radiation of the measuring cell and high temperature fluctuations over the life ensures the sensor.
Zeichnungdrawing
Die Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung. Die Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung. Die Figuren 3 und 3a zeigen zwei
Ausführungsformen eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung. Die Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung. Die Figur 6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung.1 shows a first embodiment of the present invention in a sectional view. FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention in a sectional view. Figures 3 and 3a show two Embodiments of a third embodiment of the present invention in a sectional view. 4 shows a fourth embodiment of the present invention in a sectional view. 6 shows a fifth embodiment of the present invention in a sectional view.
Die Figur 5 zeigt eine Detaildarstellung einer Ausführungsform in einer Schnittdarstellung.FIG. 5 shows a detailed representation of an embodiment in a sectional illustration.
Die Figur 2a zeigt eine erste weitere Vorrichtung und die Figur 6a eine zweite weitere Vorrichtung, die beide keine Ausführung der beanspruchten Erfindung sind.Figure 2a shows a first further device and Figure 6a shows a second further device, both of which are not an embodiment of the claimed invention.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1 zum Nachweis eines Bestandteils eines Abgases 102, zum Beispiel NH3, CH4, CO2, NO, N2O, NO2, CO, SO2, O2, O3 HCN, HCl, H2O und VOC (Volatile Organic Compounds), dargestellt. Der optische Sensor 1 weist ein topfförmiges Gehäuse 90 aus metallischem Material auf, das über ein Gewinde 91 mit einem Sechskantkörper 92 verbunden ist, sodass sich die Möglichkeit des Einschraubens des Sensors 1 im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors (nicht gezeichnet) ergibt. Innerhalb des Gehäuses 90 befindet sich eine etwa zylindrische Messzelle 12, deren Mantelfläche durch die Seitenwand des Gehäuses 90 gegeben ist. Die Messzelle 12 wird ferner auf ihrer dem Gewinde 91 zugewandten Stirnseite durch ein Fenster 25, das aus Quarzglas besteht und für Licht im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich weitgehend transparent ist, begrenzt. Auf ihrer dem Gewinde 91 abgewandten Stirnseite wird die Messzelle 12 durch einen Spiegel 24 begrenzt, der Licht 101 im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich weitgehend vollständig reflektiert. In die Seitenwand des Gehäuses 90 eingesetzt sind mehrere scheibchenförmige Filter 14, von denen in Figur 1 zwei zu sehen sind. Die Filter 14 bestehen aus metallischem Sintermaterial und haben eine mittlere Porengröße von 5 μm.FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an optical sensor 1 according to the invention for detecting a constituent of an exhaust gas 102, for example NH 3 , CH 4 , CO 2 , NO, N 2 O, NO 2 , CO, SO 2 , O 2 , O 3 HCN, HCl, H 2 O and VOC (Volatile Organic Compounds). The optical sensor 1 has a cup-shaped housing 90 made of metallic material, which is connected via a thread 91 with a hexagonal body 92, so that there is the possibility of screwing the sensor 1 in the exhaust line of an internal combustion engine (not shown). Within the housing 90 is an approximately cylindrical measuring cell 12, whose lateral surface is given by the side wall of the housing 90. The measuring cell 12 is further limited on its side facing the thread 91 by a window 25, which consists of quartz glass and is largely transparent to light in the visible and near infrared spectral range limited. On its side facing away from the thread 91, the measuring cell 12 is bounded by a mirror 24, which largely completely reflects light 101 in the visible and near infrared spectral range. Inserted in the side wall of the housing 90 are a plurality of disk-shaped filters 14, two of which can be seen in FIG. The filters 14 are made of metallic sintered material and have a mean pore size of 5 microns.
Das Gehäuse 90, der Spiegel 24, das Fenster 25 und die Filter 14 sind weitgehend gasdicht miteinander verbunden, sodass ein Zutritt von Abgas 102 in die Messzelle 12 nur über die Filter 14 erfolgen kann. Es ist somit sichergestellt, dass ein Zutritt von im Abgas 102 enthaltenen Rußpartikeln in die Messzelle 12 weitgehend unterbleibt.
Auf der dem Gewinde 91 zugewandeten Seite des Fensters 24 sind eine Lichtquelle 11 und ein optischer Detektor 13 angeordnet. Die Lichtquelle 11 ist als ein InP-basierter Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) ausgebildet und der optische Detektor 13 ist als Photodiode ausgebildet. Die Wellenlänge der Emission der Lichtquelle 11 liegt im Bereich der Wellenlänge einer Absorptionslinie eines zu messenden Bestandteils des Abgases, zum Beispiel im Bereich von 1651 nm für Methan, von 2004 nm für Kohlendioxid, von 1854 nm für Wasser oder von 1512 nm für Ammoniak. Alternativ ist es stets auch möglich, dass die Lichtquelle 11 aus mehreren Diodenlasern, zum Beispiel aus einem Array von Diodenlasern, besteht, wobei diese Diodenlaser insgesamt mehrere Emissionen aufweisen und wobei sich diese Emissionen bezüglich ihrer Wellenlänge voneinander signifikant unterscheiden.The housing 90, the mirror 24, the window 25 and the filter 14 are connected to each other largely gas-tight, so that access of exhaust gas 102 in the measuring cell 12 can be made only via the filter 14. It is thus ensured that an access of soot particles contained in the exhaust gas 102 in the measuring cell 12 is substantially eliminated. On the thread 91 facing side of the window 24, a light source 11 and an optical detector 13 are arranged. The light source 11 is designed as an InP-based vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) and the optical detector 13 is designed as a photodiode. The wavelength of emission of the light source 11 is in the range of the wavelength of an absorption line of an exhaust gas component to be measured, for example, 1651 nm for methane, 2004 nm for carbon dioxide, 1854 nm for water, or 1512 nm for ammonia. Alternatively, it is always possible for the light source 11 to be composed of a plurality of diode lasers, for example an array of diode lasers, these diode lasers having a total of several emissions, and these emissions differing significantly in their wavelength from one another.
Das von der Lichtquelle 11 erzeugte Licht 101 tritt in Form eines Strahles zunächst durch das Fenster 25, durchstrahlt die Messzelle 12 zweimal, wobei es zwischen den beiden Durchstrahlungen an dem Spiegel 24 reflektiert wird, und fällt nach einem zweitenThe light 101 generated by the light source 11 first passes through the window 25 in the form of a beam, passes through the measuring cell 12 twice, being reflected between the two transmissions on the mirror 24, and falls after a second one
Durchtritt durch das Fenster 25 auf den optischen Detektor 13. Das Ausgangssignal des optischen Detektors 13 ist proportional der Strahlungsleistung des einfallenden Lichtes 101.Passing through the window 25 on the optical detector 13. The output signal of the optical detector 13 is proportional to the radiation power of the incident light 101st
Durch Anwendung an sich bekannter spektroskopischer Methoden wie Absorptions- Spektroskopie oder Frequenzmodulations-Spektroskopie und mit Hilfe einer (nicht gezeichneten) Auswerteeinheit wird aus dem Ausgangssignal des optischen Detektors 13 in an sich bekannter Art und Weise die Konzentration des zu bestimmenden Bestandteils des Abgases in der Messzelle 12 bestimmt.By applying per se known spectroscopic methods such as absorption spectroscopy or frequency modulation spectroscopy and with the aid of an (not shown) evaluation is from the output of the optical detector 13 in a conventional manner, the concentration of the component to be determined of the exhaust gas in the measuring cell 12 determined.
In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1 dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass zusätzlich je eine Heizvorrichtung 31 zur Beheizung des Spiegels 24 und des Fensters 25 vorgesehen ist. Die dem Spiegel 24 zugeordnete Heizvorrichtung 31 ist auf der dem Gewinde 91 abgewandten Seite des Spiegels 24 angeordnet, die dem Fenster 25 zugeordnete Heizvorrichtung 31 ist auf der dem Gewinde 91 zugewandten Seite des Fensters angeordnet und so ringförmig ausgeführt, dass in ihrem Inneren eine Appertur für den Durchtritt des Lichtes 101 von der Lichtquelle 11 und zu dem optischen Detektor 13 verbleibt. Die Heizvorrichtungen 31 sind als elektrische Widerstandheizungen 131 ausgeführt. Die Heizvorrichtungen 31 sind so ausgelegt, dass
sie das Fenster 25 beziehungsweise den Spiegel 24 zuverlässig auf eine Temperatur beheizen können, die um 50 Kelvin über der Temperatur im Abgas liegt.FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of an optical sensor 1 according to the invention. The second embodiment differs from the first embodiment in that in each case a heating device 31 for heating the mirror 24 and the window 25 is provided. The mirror 24 associated with the heater 31 is disposed on the side facing away from the thread 91 of the mirror 24, the window 25 associated heater 31 is disposed on the thread 91 facing side of the window and designed so annular that in its interior an Appertur for the passage of the light 101 from the light source 11 and to the optical detector 13 remains. The heaters 31 are designed as electrical resistance heaters 131. The heaters 31 are designed so that they can reliably heat the window 25 or the mirror 24 to a temperature which is 50 Kelvin above the temperature in the exhaust gas.
Durch die Aufheizung des Spiegels 24 und des Fensters 25 über die Temperatur des Abgases 102 in der Messzelle 12 entsteht ein Temperaturgradient in der Umgebung der Oberflächen dieser optischen Komponenten. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass hieraus eine Thermodiffusion resultiert, die geeignet ist, die Rate der Anlagerung von Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln, auf den Oberflächen dieser Komponenten deutlich herabzusetzen.Heating the mirror 24 and the window 25 above the temperature of the exhaust gas 102 in the measuring cell 12 creates a temperature gradient in the vicinity of the surfaces of these optical components. It has surprisingly been found that this results in a thermal diffusion, which is suitable for significantly reducing the rate of deposition of particles, in particular of soot particles, on the surfaces of these components.
Um dies zu demonstrieren, wurde die in der Figur 2a dargestellte Vorrichtung verwendet, die selbst keine Ausführung der beanspruchten Erfindung darstellt. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich um einen Sensor zur Messung der Konzentration eines Bestandteils eines Abgases 102, wobei der Sensor eine Lichtquelle 11, eine Messzelle 12 und einen optischen Detektor 13 umfasst, wobei von der Lichtquelle 11 erzeugtes Licht in die Messzelle 12 und von dort zu dem optischen Detektor 13 gelangt, wobei das von der Lichtquelle 11 erzeugte Licht nur in der Messzelle 12 mit dem Abgas 102 in Wechselwirkung tritt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Heizvorrichtung 31, insbesondere eine elektrische Widerstandsheizung 131, zur Beheizung von mindestens einer, mit dem Abgas in Kontakt stehenden optischen Komponente Komponente 11, 13, 24, 25, 26, aufweist. Ein solcher Sensor kann zusätzlich ein oder mehrere der Merkmale aufweisen, die in der Beschreibung, der Zeichnung, den Ausführbeispielen oder den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung offenbart sind. Ein solcher Sensor kann darüber hinaus wie ein erfindungsgemäßer Sensor betrieben und verwendet werden.To demonstrate this, the device shown in Figure 2a was used, which itself does not constitute an embodiment of the claimed invention. This device is a sensor for measuring the concentration of a component of an exhaust gas 102, wherein the sensor comprises a light source 11, a measuring cell 12 and an optical detector 13, wherein light generated by the light source 11 into the measuring cell 12 and from there reaches the optical detector 13, wherein the light generated by the light source 11 only interacts with the exhaust gas 102 in the measuring cell 12, characterized in that the sensor has a heating device 31, in particular an electrical resistance heater 131, for heating at least one having the exhaust component in contact with the optical component 11, 13, 24, 25, 26 ,. Such a sensor may additionally include one or more of the features disclosed in the specification, drawings, embodiments, or claims of the present invention. Moreover, such a sensor can be operated and used like a sensor according to the invention.
Der in der Figur 2a gezeigte Sensor unterscheidet sich von dem in der Figur 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch, dass das Gehäuse 90 statt Filter 14 Öffnungen 93 aufweist, durch die das Abgas 102 mit seinen sämtlichen Bestandteilen, insbesondere mit Rußpartikeln, weitgehend ungehindert in die Messzelle 12 eintreten kann. Es stellte sich überraschend heraus, dass allein durch die Beheizung der optischen Komponenten die Verschmutzung ihrer Oberflächen vermindert werden kann.The sensor shown in Figure 2a differs from the second embodiment of the invention shown in Figure 2 in that the housing 90 instead of filter 14 openings 93, through which the exhaust gas 102 with all its components, in particular with soot particles, largely unhindered in the measuring cell 12 can enter. It turned out surprisingly that the pollution of their surfaces can be reduced only by the heating of the optical components.
In der Figur 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1 dargestellt. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass weitgehend die gesamte Seitenfläche des Gehäuses
90 porös ausgestaltet ist und somit einen Filter 14 darstellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Lichtquelle 11 und der optische Detektor 13 beabstandet von der Messzelle 11, auf der der Messzelle 11 abgewandten Seite des Sechskantkörpers 92, angeordnet. Das von der Lichtquelle 11 erzeugte Licht 101 wird durch eine optische Faser 26, vorzugsweise eine Polymodenfaser, in die Messzelle 12 geleitet und gelangt ebenfalls durch eine optische Faser 26, vorzugsweise eine Polymodenfaser, aus der Messzelle 12 zu dem optischen Detektor 13. Der Spiegel 24 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine gekrümmte Oberfläche auf. Wie im zweiten Ausführbeispiel ist vorgesehen, den Spiegel 24 zu beheizen, optional ist es möglich und vorteilhaft, auch die optischen Fasern 26, insbesondere im Bereich ihrer Mündung in die Messzelle 11, zu beheizen. Alternativ ist es stets, insbesondere innerhalb der in diesem Ausführbeispiel gezeigten Anordnung, möglich, dass der optische Detektor 13 als optisches Spektrometer, zum Beispiel als Prismen-, Gitter- oder Fourierspektrometer, ausgebildet ist.FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of an optical sensor 1 according to the invention. The third embodiment differs from the first embodiment in that substantially the entire side surface of the housing 90 is designed porous and thus represents a filter 14. In this exemplary embodiment, the light source 11 and the optical detector 13 are arranged at a distance from the measuring cell 11, on the side of the hexagonal body 92 facing away from the measuring cell 11. The light 101 generated by the light source 11 is passed through an optical fiber 26, preferably a Polymodenfaser, into the measuring cell 12 and also passes through an optical fiber 26, preferably a Polymodenfaser, from the measuring cell 12 to the optical detector 13. Der Spiegel 24 has a curved surface in this embodiment. As in the second exemplary embodiment, it is provided to heat the mirror 24, optionally it is possible and advantageous to also heat the optical fibers 26, in particular in the area of their mouth into the measuring cell 11. Alternatively, it is always possible, in particular within the arrangement shown in this exemplary embodiment, that the optical detector 13 is designed as an optical spectrometer, for example as a prism, grating or Fourier spectrometer.
In einer weiteren Ausführungsform des dritten Ausführbeispiels, das in der Figur 3a dargestellte ist, ist über dem Gehäuse 90 ein metallisches Schutzrohr 95 angeordnet, das schlitzförmige Öffnungen 94 aufweist, von denen in der Figur 3a vier zu sehen sind. In dieser Ausführungsform besteht das gesamte topfförmige Gehäuse 90 aus einem porösen, keramischen Material und wirkt als Filter 14, über den ein Zutritt von Abgas in die Messzelle 12 erfolgt.In a further embodiment of the third embodiment, which is shown in FIG. 3a, a metallic protective tube 95 is arranged above the housing 90 and has slot-shaped openings 94, four of which can be seen in FIG. 3a. In this embodiment, the entire pot-shaped housing 90 made of a porous, ceramic material and acts as a filter 14, via which an inlet of exhaust gas into the measuring cell 12 takes place.
In Figur 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1 dargestellt. Das vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel darin, dass der optische Detektor 13 als ortssensitiver Detektor ausgeführt ist, das heißt, dass er ein Signal liefert, das die Lage des auftreffenden Lichtes 101, also des Schwerpunktes des Laserstrahls, angibt. Das vierte Ausführbeispiel unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel ferner dadurch, das der Spiegel 24 durch eine als Piezoaktorik ausgebildete Aktorik 50 angetrieben wird, die geeignet ist, den Spiegel 24 zu verkippen. Über eine Auswerteeinheit (nicht gezeichnet) wird die Lage des auftreffenden Lichts 102 auf dem optischen Detektor 13 mit einem Sollwert verglichen und durch Verkippung des Spiegels 24 mittels der Aktorik 50 nachgeregelt.FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment of an optical sensor 1 according to the invention. The fourth embodiment differs from the second embodiment in that the optical detector 13 is designed as a location-sensitive detector, that is, it provides a signal indicating the position of the incident light 101, that is, the center of gravity of the laser beam. The fourth embodiment further differs from the second embodiment in that the mirror 24 is driven by an actuator 50 designed as a piezoactuator, which is suitable for tilting the mirror 24. Via an evaluation unit (not shown), the position of the incident light 102 on the optical detector 13 is compared with a desired value and readjusted by tilting the mirror 24 by means of the actuator 50.
In alternativen Ausführungsformen der vorangegangenen Ausführbeispiele ist der Filter 14, wie in Figur 5 schematisch dargestellt, mit einer weiteren elektrischenIn alternative embodiments of the preceding embodiments, the filter 14, as shown schematically in Figure 5, with a further electrical
Widerstandheizung 132 versehen. Die weitere elektrische Widerstandsheizung 132 ist so
ausgelegt, dass sie eine Beheizung des Filters 14 auf eine Temperatur von über 650° Celsius ermöglicht. Es ist vorgesehen, während des Betriebs des Sensors 1 bei Bedarf oder in regelmäßigen Intervallen eine Beheizung des Filters 14 vorzunehmen. Befinden sich in den Poren des Filters 14 Rußpartikel, so werden diese durch die Beheizung gezündet, verbrennen und der Filter 14 wird auf diese Art und Weise regeneriert.Resistance heater 132 provided. The further electrical resistance heater 132 is so designed to allow heating of the filter 14 to a temperature of about 650 ° Celsius. It is intended to heat the filter 14 during operation of the sensor 1 as needed or at regular intervals. If soot particles are present in the pores of the filter 14, they are ignited by the heating, burn and the filter 14 is regenerated in this way.
Zur Absenkung der Regenerationstemperatur des Fiters 14 auf eine Temperatur zwischen 550° Celsius und 650° Celsius kann der Filter katalytisch wirksames Matwerial, zum Beispiel in Form einer Beschichtung, aufweisen.To lower the regeneration temperature of the Fiters 14 to a temperature between 550 ° Celsius and 650 ° Celsius, the filter catalytically effective Matwerial, for example in the form of a coating, have.
In einer Anwendung ist es vorgesehen, dass ein Sensor 1 gemäß der vorangegangenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors (nicht gezeichnet), insbesondere zum Zweck einer On-Board- Diagnose, zum Beispiel in regelmäßigen Intervallen und zum Beispiel bei geeigneten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors, zum Einsatz kommt.In one application, it is provided that a sensor 1 according to the previous embodiments of the present invention in the exhaust line of an internal combustion engine (not shown), in particular for the purpose of on-board diagnosis, for example at regular intervals and, for example, at suitable operating conditions of the internal combustion engine , is used.
In Figur 6 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1 zum Nachweis eines Bestandteils eines Abgases 102, zum Beispiel NH3, CH4, CO2, NO, N2O, NO2, CO, SO2, O2, O3 HCN, HCl, H2O und VOC (Volatile Organic Compounds), dargestellt. Der optische Sensor 1 weist eine von einem metallischen Gehäuse 90 umschlossene Messzelle 12 auf. Die Messzelle 12 ist über ein als gewinkeltes Rohr ausgebildetes Einlassteil 27 und ein ebenfalls als gewinkeltes Rohr ausgebildetes Auslassteil 28 mit ihrer Umgebung verbunden. Das Einlassteil 27 und das Auslassteil 28 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Messzelle 12 angeordnet. Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Einlassteil 27 und das Auslassteil 28 so in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors münden, dass der Sensor 1 einen Bypass innerhalb des Abgasstrangs ausbildet. Innerhalb des Einlassteiles 27 und des Auslassteiles 28 ist jeweils ein als magnetisches Schaltventil ausgebildetes Ventil 21 angeordnet.FIG. 6 shows a fifth exemplary embodiment of an optical sensor 1 according to the invention for detecting a component of an exhaust gas 102, for example NH 3 , CH 4 , CO 2 , NO, N 2 O, NO 2 , CO, SO 2 , O 2 , O 3 HCN, HCl, H 2 O and VOC (Volatile Organic Compounds). The optical sensor 1 has a measuring cell 12 enclosed by a metallic housing 90. The measuring cell 12 is connected via a formed as an angled pipe inlet part 27 and also designed as an angled pipe outlet part 28 with its surroundings. The inlet part 27 and the outlet part 28 are arranged on opposite sides of the measuring cell 12. It is provided in particular that the inlet part 27 and the outlet part 28 open into the exhaust gas line of an internal combustion engine such that the sensor 1 forms a bypass within the exhaust gas line. Within the inlet part 27 and the outlet part 28 each designed as a magnetic switching valve valve 21 is arranged.
Das Gehäuse 90, das Einlassteil 27 und das Auslassteil 28 sind weitgehend gasdicht miteinander verbunden, sodass ein Zutritt von Abgas 102 in die Messzelle 12 im Wesentlichen nur über die Ventile 21 erfolgt. Es ist somit sichergestellt, dass ein Zutritt von Abgas 102 in die Messzelle 12 durch Schließen der Ventile 21 weitgehend unterbunden werden kann.
Innerhalb der Messzelle 12 befinden sich einlassseitig, in Hohlräumen 103 zurückgezogen angeordnet eine Lichtquelle 11 und ein optischer Detektor 13. Die Lichtquelle 11 ist als ein InP-basierter Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) ausgebildet und der optische Detektor 13 ist als Photodiode ausgebildet. Die Wellenlänge der Emission der Lichtquelle 11 liegt im Bereich der Wellenlänge einer Absorptionslinie eines zu messenden Bestandteils des Abgases, zum Beispiel im Bereich von 1651 nm für Methan, von 2004 nm für Kohlendioxid, von 1854 nm für Wasser oder von 1512 nm für Ammoniak. Alternativ ist es stets auch möglich, dass die Lichtquelle 11 mehreren Diodenlasern, insbesondere aus einem Array von Diodenlasern, besteht, wobei diese Diodenlaser insgesamt mehrere Emissionen aufweisen und sich diese Emissionen bezüglich ihrer Wellenlänge voneinander signifikant unterscheiden.The housing 90, the inlet part 27 and the outlet part 28 are connected to each other largely gas-tight, so that an inlet of exhaust gas 102 into the measuring cell 12 is substantially only via the valves 21. It is thus ensured that an access of exhaust gas 102 into the measuring cell 12 can be largely prevented by closing the valves 21. Inside the measuring cell 12, a light source 11 and an optical detector 13 are arranged on the inlet side, recessed in cavities 103. The light source 11 is designed as an InP-based vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) and the optical detector 13 is a photodiode educated. The wavelength of emission of the light source 11 is in the range of the wavelength of an absorption line of an exhaust gas component to be measured, for example, 1651 nm for methane, 2004 nm for carbon dioxide, 1854 nm for water, or 1512 nm for ammonia. Alternatively, it is always also possible for the light source 11 to consist of a plurality of diode lasers, in particular of an array of diode lasers, these diode lasers having a total of several emissions and these emissions differing significantly with regard to their wavelength from one another.
Das von der Lichtquelle 11 erzeugte Licht 101 tritt in Form eines Strahles in die Messzelle 12 und durchstrahlt diese insgesamt viermal, wobei es zwischen den Durchstrahlungen an Spiegeln 24 reflektiert wird, deren reflektierende Flächen zueinander gekippt angeordnet sind. Anschließend fällt das Licht 101 auf den optischen Detektor 13. Das Ausgangssignal des optischen Detektors 13 ist proportional der Strahlungsleistung des einfallenden Lichtes.The light 101 generated by the light source 11 passes in the form of a beam into the measuring cell 12 and radiates through it a total of four times, being reflected between the transmissions on mirrors 24 whose reflective surfaces are arranged tilted to one another. Subsequently, the light 101 is incident on the optical detector 13. The output of the optical detector 13 is proportional to the radiant power of the incident light.
Durch Anwendung an sich bekannter spektroskopischer Methoden wie Absorptions- Spektroskopie oder Frequenzmodulations-Spektroskopie und mit Hilfe einer (nicht gezeichneten) Auswerteeinheit wird aus dem Ausgangssignal des optischen Detektors 13 in an sich bekannter Art und Weise die Konzentration des zu bestimmenden Bestandteils des Abgases in der Messzelle 12 bestimmt.By applying per se known spectroscopic methods such as absorption spectroscopy or frequency modulation spectroscopy and with the aid of an (not shown) evaluation is from the output of the optical detector 13 in a conventional manner, the concentration of the component to be determined of the exhaust gas in the measuring cell 12 determined.
In Kontakt mit den Spiegeln 24 ist jeweils eine als elektrische Widerstandsheizung 131 ausgeführte Heizvorrichtung 31 vorgesehen. Die Heizvorrichtungen 31 sind so ausgelegt, dass sie die Spiegel 24 zuverlässig auf eine Temperatur beheizen können, die um 50 Kelvin über der Temperatur des Abgases 102 in der Messzelle 12 liegt.In contact with the mirrors 24, a heating device 31 designed as an electrical resistance heater 131 is provided in each case. The heaters 31 are designed so that they can reliably heat the mirrors 24 to a temperature which is 50 Kelvin above the temperature of the exhaust gas 102 in the measuring cell 12.
Durch die Aufheizung der Spiegel 24 über die Temperatur des Abgases 102 in der Messzelle 12 entsteht ein Temperaturgradient in der Umgebung der Oberflächen der Spiegel. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass die resultierende Thermodiffusion geeignet ist, die Anlagerung von Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln, auf den Oberflächen der Spiegel deutlich herabzusetzen.
Um dies zu demonstrieren, wurde die in der Figur 6a dargestellte Vorrichtung verwendet, die selbst keine Ausführung der beanspruchten Erfindung darstellt. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich um einen Sensor zur Messung der Konzentration eines Bestandteils eines Abgases 102, wobei der Sensor eine Lichtquelle 11, eine Messzelle 12 und einen optischen Detektor 13 umfasst, wobei von der Lichtquelle 11 erzeugtes Licht in die Messzelle 12 und von dort zu dem optischen Detektor 13 gelangt, wobei das von der Lichtquelle 11 erzeugte Licht nur in der Messzelle 12 mit dem Abgas 102 in Wechselwirkung tritt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Heizvorrichtung 31, insbesondere eine elektrische Widerstandsheizung 131, zur Beheizung von mindestens einer, mit dem Abgas in Kontakt stehenden optischen Komponente Komponente 11, 13, 24, 25, 26, aufweist. Ein solcher Sensor kann zusätzlich ein oder mehrere der Merkmale aufweisen, die in der Beschreibung, der Zeichnung, den Ausführbeispielen oder den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung offenbart sind. Ein solcher Sensor kann darüber hinaus wie ein erfindungsgemäßer Sensor betrieben und verwendet werden.Heating the mirrors 24 above the temperature of the exhaust gas 102 in the measuring cell 12 produces a temperature gradient in the vicinity of the surfaces of the mirrors. It has surprisingly been found that the resulting thermal diffusion is suitable for significantly reducing the accumulation of particles, in particular soot particles, on the surfaces of the mirrors. To demonstrate this, the device shown in Figure 6a was used, which itself does not constitute an embodiment of the claimed invention. This device is a sensor for measuring the concentration of a component of an exhaust gas 102, wherein the sensor comprises a light source 11, a measuring cell 12 and an optical detector 13, wherein light generated by the light source 11 into the measuring cell 12 and from there reaches the optical detector 13, wherein the light generated by the light source 11 only interacts with the exhaust gas 102 in the measuring cell 12, characterized in that the sensor has a heating device 31, in particular an electrical resistance heater 131, for heating at least one having the exhaust component in contact with the optical component 11, 13, 24, 25, 26 ,. Such a sensor may additionally include one or more of the features disclosed in the specification, drawings, embodiments, or claims of the present invention. Moreover, such a sensor can be operated and used like a sensor according to the invention.
Der in der Figur 6a gezeigte Sensor unterscheidet sich von dem in der Figur 6 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch, dass das Einlassteil 27 und das Auslassteil 28 keine Ventile 21 aufweisen, sodass das Abgas 102 mit seinen sämtlichen Bestandteilen, insbesondere mit Rußpartikeln, stets weitgehend ungehindert in die Messzelle 12 eintreten kann. Es stellte sich überraschend heraus, dass allein durch die Beheizung der Spiegel 24 die Verschmutzung ihrer Oberflächen vermindert werden kann.The sensor shown in FIG. 6a differs from the fifth exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 6 in that the inlet part 27 and the outlet part 28 have no valves 21, so that the exhaust gas 102 with all its components, in particular with soot particles, always remains largely can enter the measuring cell 12 unhindered. It turned out, surprisingly, that solely by heating the mirrors 24, the contamination of their surfaces can be reduced.
Eine alternative Ausführungsformen des fünften Ausführungsbeispiels besteht darin, die Lichtquelle 11 und den optischen Detektor 13 von der Messzelle 12 beabstandet anzuordnen und das Licht von der Lichtquelle 11 zur Messzelle 12 und von der Messzelle 12 zum optischen Detektor über Fasern 26 zu führen, deren Mündungen in die Messzelle beheizt werden können. In einer weiteren alternativen Ausführungsform des fünften Ausführungsbeispiels wird auf eine Beheizung optischer Komponenten verzichtet.An alternative embodiment of the fifth embodiment consists of arranging the light source 11 and the optical detector 13 at a distance from the measuring cell 12 and guiding the light from the light source 11 to the measuring cell 12 and from the measuring cell 12 to the optical detector via fibers 26 whose openings in FIG the measuring cell can be heated. In a further alternative embodiment of the fifth exemplary embodiment, heating of optical components is dispensed with.
In einer weiteren Ausführungsform des fünften Ausführungsbeispiels ist der optische Strahlengang wie im vierten Ausführungsbeispiel beschrieben dynamisch stabilisiert, wobei einer der Spiegel 24 eine gekrümmte Oberfläche aufweist. Ferner ist in diesem Ausführbeispiel innerhalb des Einlassteils 27 und des Auslassteils 28 jeweils ein Filter 14 vorgesehen, der, wie in Figur 5 schematisch dargestellt, mit einer weiteren elektrischen
Widerstandheizung 132 versehen ist.In a further embodiment of the fifth exemplary embodiment, the optical beam path is dynamically stabilized as described in the fourth exemplary embodiment, one of the mirrors 24 having a curved surface. Furthermore, in this exemplary embodiment, a filter 14 is provided within the inlet part 27 and the outlet part 28, which, as shown schematically in FIG. 5, is provided with a further electric motor Resistance heater 132 is provided.
In einer Anwendung ist es vorgesehen, dass ein Sensor 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, insbesondere zum Zweck einer On-Board-Diagnose, zum Beispiel in regelmäßigen Intervallen und zum Beispiel bei geeigneten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors, zum Einsatz kommt. Hierbei ist vorgesehen, dass das Ventil nur dann geöffnet wird, wenn eine On-Board-Diagnose erfolgen soll, wodurch sich die Kontamination der Messkammer deutlich reduzieren lässt.In one application, it is provided that a sensor 1 according to the fifth exemplary embodiment of the present invention is used in the exhaust system of an internal combustion engine, in particular for the purpose of on-board diagnosis, for example at regular intervals and for example under suitable operating conditions of the internal combustion engine , It is provided that the valve is only opened when an on-board diagnosis is to take place, whereby the contamination of the measuring chamber can be significantly reduced.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform des fünften Ausführbeispiels ist das Ventil 21 als Proportionalventil ausgeführt. Es ist hierbei vorgesehen, dass das Maß der Öffnung des Ventils 21 an Gegebenheiten, insbesondere an die Alterung oder Verschmutzung des Sensors 1, angepasst wird.In a further alternative embodiment of the fifth embodiment, the valve 21 is designed as a proportional valve. It is provided here that the degree of opening of the valve 21 is adapted to conditions, in particular to the aging or contamination of the sensor 1.
In allen Ausführungsformen der Erfindung sind die Abmaße des Sensors 1 vorzugsweise so dimensioniert, dass eine Aufnahme in einem Abgasrohr eines Kraftfahrzeugs problemlos möglich ist, wobei durch den Sensor 1 weniger als 40% der Querschnittsfläche des Abgasrohrs überdeckt werden. Dies kann zum Beispiel dadurch erfüllt werden, dass die Querschnittsfläche des Abgasstranges an der Stelle, an der sich der Sensor befindet, 50 cm2 beträgt und die Projektion des Sensors in Strömungsrichtung des Abgases einen Flächeninhalt von 15 cm2 aufweist. Der Sensor 1 weist vorzugsweise eine Längserstreckung von weniger als 25 cm auf. Es ist ferner ein Aufnehmer zur Verschraubung, Vernietung oder Verschweißung des Sensors 1 im Abgasrohr vorgesehen. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass elektrische und optischeIn all embodiments of the invention, the dimensions of the sensor 1 are preferably dimensioned so that a receptacle in an exhaust pipe of a motor vehicle is easily possible, being covered by the sensor 1 less than 40% of the cross-sectional area of the exhaust pipe. This can be achieved, for example, by the fact that the cross-sectional area of the exhaust line at the location where the sensor is located is 50 cm 2 and the projection of the sensor in the flow direction of the exhaust gas has an area of 15 cm 2 . The sensor 1 preferably has a longitudinal extent of less than 25 cm. It is also provided a transducer for screwing, riveting or welding of the sensor 1 in the exhaust pipe. It is preferably provided that electrical and optical
Verbindungen der in der Messzelle 12 befindlichen Komponenten gasdicht, insbesondere durch Verglasungen, aus der Messzelle 12 herausgeführt sind und außerhalb der Messzelle 12 in einen Metallspiralschlauch (nicht gezeichnet) münden.Connections of the components located in the measuring cell 12 gas-tight, in particular by glazing, led out of the measuring cell 12 and outside the measuring cell 12 in a metal spiral hose (not shown) open.
Es ist vorgesehen, dass ein erfindungsgemäßer Sensor 1 zum Zweck einer On-Board- Diagnose eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, zum Einsatz kommt, wobei der Sensor 1 im Mündungsbereich des Abgasstranges angeordnet ist, insbesondere abstromseitig aller weiteren im Abgasstrang enthaltenen Komponenten, wie Sensoren und Filter. Es ist ferner vorgesehen, dass bei Bedarf oder in regelmäßigen Intervallen eine Kalibrierung des erfindungsgemäßen Sensors 1 stattfindet. Dies geschieht vorzugsweise in Phasen, in denen die Abgaszusammensetzung im
Wesentlichen als bekannt vorausgesetzt werden kann, zum Beispiel in Schubphasen des Verbrennungsmotors.
It is provided that a sensor 1 according to the invention is used for the purpose of on-board diagnosis of an internal combustion engine, preferably in a motor vehicle, wherein the sensor 1 is arranged in the mouth region of the exhaust line, in particular downstream of all other components contained in the exhaust line, such as Sensors and filters. It is further provided that a calibration of the sensor 1 according to the invention takes place as needed or at regular intervals. This is preferably done in phases in which the exhaust gas composition in Substantially can be assumed as known, for example, in coasting phases of the internal combustion engine.
Claims
1. Sensor zur Messung der Konzentration eines Bestandteils eines Abgases (102), wobei der Sensor (1) eine Lichtquelle (11), eine Messzelle (12) und einen optischen Detektor (13) umfasst, wobei von der Lichtquelle (11) erzeugtes Licht (101) in die Messzelle (12) und von dort zu dem optischen Detektor (13) gelangt, wobei das von der Lichtquelle (11) erzeugte Licht nur in der Messzelle (12) mit dem Abgas (102) in Wechselwirkung tritt, dadurch gekennzeichnet, dass derA sensor for measuring the concentration of a component of an exhaust gas (102), wherein the sensor (1) comprises a light source (11), a measuring cell (12) and an optical detector (13), wherein light generated by the light source (11) (101) into the measuring cell (12) and from there to the optical detector (13), wherein the light generated by the light source (11) only in the measuring cell (12) with the exhaust gas (102) interacts, characterized , that the
Sensor (1) ferner mindestens ein Zutrittsmittel (70) umfasst, durch das der Zutritt des Abgases (102) in die Messzelle (12) erfolgt und durch das der Zutritt des Abgases (102) in die Messzelle (12) für zumindest Teile des Abgases (102) unterbindbar ist.Sensor (1) further comprises at least one access means (70) through which the access of the exhaust gas (102) into the measuring cell (12) and by the access of the exhaust gas (102) into the measuring cell (12) for at least parts of the exhaust gas (102) can be prevented.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) mindestens eine Heizvorrichtung (31), insbesondere mindestens eine elektrische Widerstandsheizung (131), zur Beheizung von mindestens einer, vorzugsweise mehrerer, mit dem Abgas (102) in Kontakt stehenden optischen Komponente (11, 13, 24, 25, 26), aufweist.2. Sensor according to claim 1, characterized in that the sensor (1) at least one heating device (31), in particular at least one electrical resistance heater (131) for heating at least one, preferably more, with the exhaust gas (102) in contact optical component (11, 13, 24, 25, 26).
3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (11) und/oder der optische Detektor (13) über mindestens ein Mittel zur Lichtleitung, insbesondere über mindestens ein Fenster (25) oder über mindestens eine optische Faser (26), mit der Messzelle (12) verbunden ist.3. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the light source (11) and / or the optical detector (13) via at least one means for guiding light, in particular via at least one window (25) or at least one optical fiber (26 ), is connected to the measuring cell (12).
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Lichtquelle (11) erzeugte Licht (101) die Messzelle (12) mehrfach, vorzugsweise mehr als zweimal, durchstrahlt, bevor es auf den optischen Detektor (13) gelangt, wobei es an einem Spiegel (24) im Bereich der4. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the light (101) generated by the light source (11) the measuring cell (12) repeatedly, preferably more than twice, before it reaches the optical detector (13), being attached to a mirror (24) in the area of
Messzelle (12) reflektiert wird und wobei der Spiegel eine vorzugsweise gekrümmte Oberfläche (105) aufweist.Measuring cell (12) is reflected and wherein the mirror has a preferably curved surface (105).
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (11) ein Laser ist, vorzugsweise ein Diodenlaser, wobei der optische Detektor (13) eine Information über den Auftreffpunkt des Laserstrahls auf den Detektor liefert und wobei ein optisches Element, insbesondere ein Spiegel (24), über eine Aktorik (50) räumlich ausgelenkt werden kann.5. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the light source (11) is a laser, preferably a diode laser, wherein the optical detector (13) information about the point of impact of the laser beam supplies to the detector and wherein an optical element, in particular a mirror (24), can be spatially deflected via an actuator (50).
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine, vorzugsweise mehrere, an die Messzelle (12) angrenzende optische Komponente (11, 13, 24, 25, 26) in einem am Rande der Messzelle (12) ausgebildeten Hohlraum (103) zurückgezogen angeordnet ist.6. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that at least one, preferably a plurality, to the measuring cell (12) adjacent optical component (11, 13, 24, 25, 26) in a formed on the edge of the measuring cell (12) cavity (103) is arranged withdrawn.
7. Sensor nach dem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) ein Einlassteil (27) aufweist, durch das Abgas (102) in die Messzelle7. Sensor according to the preceding claims, characterized in that the sensor (1) has an inlet part (27) through the exhaust gas (102) into the measuring cell
(12) hinein gelangen kann und der Sensor (1) ein Auslassteil (28) aufweist, durch das Abgas (102) aus der Messzelle (12) heraus gelangen kann, sodass der Sensor als Bypass in einem Abgasstrang betrieben werden kann.(12) and the sensor (1) has an outlet part (28) through which exhaust gas (102) can pass out of the measuring cell (12) so that the sensor can be operated as a bypass in an exhaust gas line.
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zutrittsmittel (70) mindestens einen Filter (14) umfasst, insbesondere ein Filter (14) ist.8. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the access means (70) comprises at least one filter (14), in particular a filter (14).
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zum Beheizen des Filters (14), insbesondere eine weitere elektrische Widerstandsheizung (132), vorgesehen ist.9. Sensor according to claim 8, characterized in that a means for heating the filter (14), in particular a further electrical resistance heater (132), is provided.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (14) ein poröses, metallisches und/oder keramisches Material aufweist, wobei die Porengröße dieses Materials im Bereich von 100 nm bis 10 μm liegt.10. Sensor according to one of claims 8 or 9, characterized in that the filter (14) comprises a porous, metallic and / or ceramic material, wherein the pore size of this material is in the range of 100 nm to 10 microns.
11. Sensor nach einem der Ansprüche 8 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) ein Gehäuse (90) aufweist, das die Messzelle (12) begrenzt, wobei in das Gehäuse (90) der Filter (14) integriert ist und/oder die Messzelle (12) überwiegend von dem Filter (14) umgeben ist.11. Sensor according to any one of claims 8 - 10, characterized in that the sensor (1) has a housing (90) which limits the measuring cell (12), wherein in the housing (90) of the filter (14) is integrated and / or the measuring cell (12) is predominantly surrounded by the filter (14).
12. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zutrittsmittel (70) mindestens ein Ventil (21) umfasst, insbesondere mindestens ein Ventil (21) ist, wobei das mindestens eine Ventil (21) vorzugsweise mindestens ein Proportionalventil oder mindestens ein Schaltventil ist. 12. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the access means (70) comprises at least one valve (21), in particular at least one valve (21), wherein the at least one valve (21) preferably at least one proportional valve or at least one Switching valve is.
13. Sensor nach Anspruch 7 und nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ventil (21) in dem Einlassteil (27) und/oder in dem Auslassteil (28) angeordnet ist.13. Sensor according to claim 7 and claim 12, characterized in that at least one valve (21) in the inlet part (27) and / or in the outlet part (28) is arranged.
14. Abgasstrang eines Verbrennungsmotors mit einem Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) an keiner Stelle des Abgasstrangs mehr als 40%, vorzugsweise an keiner Stelle des Abgasstrangs mehr als 25%, des Querschnitts des Abgasstrang, gemessen senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases, ausfüllt, wobei der der Sensor (1) im Mündungsbereich des Abgasstranges des Verbrennungsmotors angeordnet ist.14. exhaust line of an internal combustion engine with a sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor (1) at any point of the exhaust line more than 40%, preferably at any point of the exhaust line more than 25%, of the cross section of Exhaust line, measured perpendicular to the flow direction of the exhaust gas, fills, wherein the sensor (1) is arranged in the mouth region of the exhaust line of the internal combustion engine.
15. Verfahren zum Betreiben eines Sensors (1) nach einem der Ansprüche 8 - 11 im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass, beispielsweise in regelmäßigen Intervallen oder bei Bedarf, ein Freibrennen des Filters (14) vorgesehen ist.15. A method for operating a sensor (1) according to any one of claims 8 - 11 in the exhaust line of an internal combustion engine, characterized in that, for example, at regular intervals or as needed, a burn-out of the filter (14) is provided.
16. Verfahren zum Betreiben eines Sensors (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die über den optischen Detektor (13) gewonnene Information über den Auftreffpunkt des Laserstrahls auf den optischen Detektor (13) genutzt wird, um das optische Element, insbesondere den Spiegel (24), über die Aktorik (50) so auszulenken, dass der Auftreffpunkt des Laserstrahls auf den optischen Detektor (13) dynamisch stabil gehalten wird.16. A method for operating a sensor (1) according to claim 5, characterized in that via the optical detector (13) obtained information about the point of impact of the laser beam on the optical detector (13) is used to the optical element, in particular the Mirror (24) to deflect over the actuator (50) so that the point of impact of the laser beam is kept dynamically stable on the optical detector (13).
17. Verfahren zum Betreiben eines Sensors nach einem der Ansprüche 12 oder 13 im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass vorgesehen ist, dass das Ventil (21) nur dann geöffnet wird, wenn eine On-Board- Diagnose durchgeführt werden soll, wobei, beispielsweise bei gealtertem oder verschmutztem Sensor (1), eine Erweiterung des Durchlasses des Ventils (21) vorgesehen ist.17. A method for operating a sensor according to any one of claims 12 or 13 in the exhaust line of an internal combustion engine, characterized in that it is provided that the valve (21) is opened only when an on-board diagnosis is to be performed, wherein For example, in aged or dirty sensor (1), an extension of the passage of the valve (21) is provided.
18. Verfahren zum Betreiben eines Sensors nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass vorgesehen ist, die optische Komponente (11, 13, 24, 25, 26) auf eine Temperatur, die mindestens 50 Kelvin höher als die des Abgases in der Messzelle 12 ist, aufzuheizen. 18. A method for operating a sensor according to one of the preceding claims, in particular according to claim 2, in the exhaust system of an internal combustion engine, characterized in that it is provided, the optical component (11, 13, 24, 25, 26) to a temperature which at least 50 Kelvin higher than that of the exhaust gas in the measuring cell 12 is to heat up.
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