DE102012201423B4

DE102012201423B4 - Arrangement for the detection of particles

Info

Publication number: DE102012201423B4
Application number: DE201210201423
Authority: DE
Inventors: Robert Schrobenhauser; Rainer Strzoda
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2032-02-02
Also published as: WO2013113679A1; DE102012201423A1

Abstract

Anordnung (10) zur Detektion von Partikeln (13), umfassend: – eine Lichtquelle (11) zur Bestrahlung der Partikel mit einem Lichtstrahl (12), – wenigstens zwei Detektionseinrichtungen (18, 19) zur Aufnahme von an den Partikeln (13) gestreuten Anteilen des Lichts, – zwei Spiegel (16, 17) zur Fokussierung des von den Partikeln (13) in einen Winkelbereich gestreuten Lichts auf jeweils eine der Detektionseinrichtungen (18, 19), wobei die Spiegel (16, 17) jeweils eine Öffnung aufweisen und so ineinander verschachtelt angeordnet sind, dass unabgelenkte Teile des Lichtstrahls (12) durch die Öffnungen der Spiegel (16, 17) treten.An assembly (10) for detecting particles (13), comprising:? a light source (11) for irradiating the particles with a light beam (12); at least two detection means (18, 19) for receiving portions of the light scattered on the particles (13); two mirrors (16, 17) for focusing the light scattered by the particles (13) in an angular range on each of the detection means (18, 19), wherein the mirrors (16, 17) each have an opening and are arranged interleaved in that undeflected parts of the light beam (12) pass through the openings of the mirrors (16, 17).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Detektion von Partikeln anhand von gestreutem Licht.The present invention relates to an arrangement for the optical detection of particles based on scattered light.

Bei der laser- und streulichtbasierten Partikeldetektion werden die zu messenden Partikel mit Licht bestrahlt und das an den Partikeln gestreute Licht mittels Detektoren wie Photodioden unter bestimmten Winkeln aufgefangen, das Signal gemessen und daraus auf die Partikelgröße geschlossen. Die Intensität des gestreuten Lichts wird jedoch gerade im Bereich von Partikelgrößen d < 200 nm, die gesundheitlich sehr bedenklich sind, mit d^6 kleiner (Rayleigh-Streuung), d. h. sehr kleine Partikel erzeugen nur noch ein sehr kleines Signal und sind somit schwer messbar. Nutzt man gar zwei oder mehr Winkel bei der Lichtstreuung, um daraus eine Partikelgrößenverteilung zu bestimmen (an Hand z. B. der Intensitätsverhältnisse bei der Mie-Theorie) können die Streuintensitäten bei größeren Winkeln noch deutlich kleiner werden und ein Signal noch schwerer messbar sein.In the laser and scattered light-based particle detection, the particles to be measured are irradiated with light and the light scattered by the particles is collected by detectors such as photodiodes at certain angles, the signal is measured and from this the particle size is determined. The intensity of the scattered light, however, becomes smaller with d ^ 6 (Rayleigh scattering), especially in the range of particle sizes d <200 nm, which are of great health concern. H. very small particles produce only a very small signal and are thus difficult to measure. If one uses two or more angles in the light scattering in order to determine a particle size distribution therefrom (on the basis of, for example, the intensity ratios in the Mie theory), the scatter intensities can become even smaller at larger angles and a signal even more difficult to measure.

Es ist bekannt, eine große Zahl von Licht-Detektoren als Ring anzuordnen, um viele sphärisch angeordnete Punkte eines bestimmten Winkelbereichs der Streuung zu erfassen. Die einzelnen Signale werden anschließend bei der Signalverarbeitung aufsummiert und daraus ein größeres Signal zur Bestimmung der Partikelgröße ermittelt. Eine weitere Möglichkeit wird in (Kondensations-)Partikelzählern und mobilen Partikelmessern verwendet: Ein Spiegelabschnitt, der einen Raumwinkel von meist > 120° einfasst, wird verwendet, um möglichst viel Streulicht aufzufangen und dieses auf einen einzelnen Detektor abzubilden. Winkel-abhängige Streuinformationen, die nötig sind, um das vorliegende Partikel zu identifizieren, gehen dabei verloren und es ist lediglich möglich zu detektieren, ob ein Partikel durch den Laser fliegt oder nicht. Die Funktionsweise entspricht also in diesem Fall einer Lichtschranke. Ebenfalls ist bekannt, Photomultipliertubes zu verwenden. Diese sind zwar sehr.pfindlich, weisen aber auch eine erhebliche Baugröße auf und geringe Geschwindigkeit auf.It is known to arrange a large number of light detectors as a ring to detect many spherically arranged points of a certain angular range of scattering. The individual signals are then summed up in the signal processing and used to determine a larger signal for determining the particle size. Another possibility is used in (condensation) particle counters and mobile particle meters: A mirror section, which covers a solid angle of mostly> 120 °, is used to capture as much stray light as possible and to image it onto a single detector. Angle-dependent scatter information necessary to identify the present particle is thereby lost and it is only possible to detect whether a particle is flying through the laser or not. The mode of operation thus corresponds in this case to a light barrier. It is also known to use photomultiplier tubes. Although these are very sensitive, they also have a considerable size and low speed.

Aus der WO 2004/074817 ist ein Aufbau bekannt, bei dem eine für die zu vermessenden Partikel gedachte Passage von einem Hohlkörper umschlossen wird, wobei die Innenflächen des Hohlkörpers als nebeneinander liegende Spiegel in Form von Ellipsenkappen gestaltet sind. Licht wird in den Hohlkörper eingestrahlt und reflektierte Anteile des Lichts von den Spiegeln auf Lichtaustritte gelenkt. Aus der GB 2474235 wiederum ist ein Aufbau bekannt, bei dem Laserlicht in eine für die zu vermessenden Partikel gedachte Passage eingestrahlt wird und zwei gleiche, als Kugelkappen gestaltete Spiegel zu beiden Seiten des Laserstrahls vorgesehen sind. Gestreutes Licht wird von den Spiegeln in zwei Detektoren gelenkt. Bei beiden bekannten Aufbauten führen die jeweiligen Spiegelanordnungen zu einer erheblichen Baugröße.From the WO 2004/074817 a structure is known in which a passage intended for the particles to be measured is enclosed by a hollow body, wherein the inner surfaces of the hollow body are designed as adjacent mirrors in the form of elliptical caps. Light is radiated into the hollow body and reflected portions of the light from the mirrors are directed to light exits. From the GB 2474235 In turn, a structure is known in which laser light is irradiated in a passage intended for the particles to be measured, and two identical mirrors designed as spherical caps are provided on both sides of the laser beam. Scattered light is directed by the mirrors into two detectors. In both known structures, the respective mirror arrangements lead to a considerable size.

Aus der US 6,297,878 B1 ist ein Aufbau zur Partikeldetektion bekannt, der zwei oder mehr Laserdioden zur Bestrahlung der Partikel mit Licht, Detektionseinrichtungen zur Aufnahme von an den Partikeln gestreuten Anteilen des Lichts und eine Mehrzahl von Spiegeln zur Fokussierung des von den Partikeln in einen Winkelbereich gestreuten Lichts aufweist.From the US 6,297,878 B1 There is known a particle detection structure comprising two or more laser diodes for irradiating the particles with light, detection means for receiving portions of the light scattered on the particles, and a plurality of mirrors for focusing the light scattered by the particles in an angular range.

Aus der EP 1 557 805 A1 ist ein Aufbau zur Infrarotstrahlungsdetektion für die Raumüberwachung bekannt, die eine Detektionseinrichtungen zur Aufnahme von Infrarotstrahlung sowie eine Mehrzahl von Spiegeln zur Fokussierung von Licht auf die Detektionseinrichtung aufweist.From the EP 1 557 805 A1 a structure for infrared radiation detection for room monitoring is known, which has a detection means for receiving infrared radiation and a plurality of mirrors for focusing light on the detection device.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Detektion von Partikeln anzugeben, die die oben genannten Nachteile verringert. Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.It is an object of the present invention to provide an arrangement for the detection of particles, which reduces the above-mentioned disadvantages. This object is achieved by an arrangement having the features of claim 1. The subclaims relate to advantageous embodiments of the invention.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Detektion von Partikeln umfasst eine Lichtquelle zur Bestrahlung der Partikel mit einem Lichtstrahl. Diese kann beispielsweise eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode (LED) sein.The arrangement according to the invention for the detection of particles comprises a light source for irradiating the particles with a light beam. This can be for example a laser diode or a light emitting diode (LED).

Weiterhin umfasst die Anordnung wenigstens zwei Detektionseinrichtungen zur Aufnahme von an den Partikeln gestreuten Anteilen des Lichts. Als Detektionseinrichtungen können beispielsweise Photodioden verwendet werden. Die Detektionseinrichtungen können auch als einzelnes Bauelement realisiert sein, bei dem eine räumlich aufgelöste Messung erfolgen kann.Furthermore, the arrangement comprises at least two detection devices for receiving particles of the light scattered on the particles. For example, photodiodes can be used as detection devices. The detection devices can also be realized as a single component in which a spatially resolved measurement can take place.

Schließlich umfasst die Anordnung zwei Spiegel zur Fokussierung des von den Partikeln in einen Winkelbereich gestreuten Lichts auf jeweils eine der Detektionseinrichtungen. Die Spiegel werden dabei jeweils eine Öffnung auf und sind so ineinander verschachtelt angeordnet, dass unabgelenkte Teile des Lichts der Lichtquelle durch die Öffnungen der Spiegel treten.Finally, the arrangement comprises two mirrors for focusing the light scattered by the particles in an angular range onto one of the detection devices. The mirrors each have an opening and are arranged interleaved in such a way that undeflected parts of the light from the light source pass through the openings of the mirrors.

Dadurch wird vorteilhaft eine geringe Baugröße erreicht, da die Spiegel ineinander verschachtelt angeordnet sind und sich ihre Volumina somit nicht addieren.As a result, a small size is advantageously achieved, since the mirrors are arranged nested in one another and thus their volumes do not add up.

Dabei ist wenigstens der größere der Spiegel bevorzugt in Form einer Kugelzone, insbesondere in Form einer Kugelkappe ausgestaltet. Mit Kugelzone ist dabei die Mantelfläche einer Kugelscheibe gemeint, die aus einer Kugel mittels zweier paralleler Ebenen herausgeschnitten wird. Kugelkappe bezeichnet die Mantelfläche einer Kugelfläche, aus der mittels einer Ebene mehr als die Hälfte der Kugel weggeschnitten wird. Insbesondere haben alle Spiegel diese Form.At least the larger of the mirrors is preferably designed in the form of a spherical zone, in particular in the form of a spherical cap. By spherical zone is meant the lateral surface of a spherical disk, which is cut out of a sphere by means of two parallel planes. Ball cap refers to the lateral surface of a spherical surface from which more than half of the ball is cut away by means of a plane. In particular, all mirrors have this shape.

Mit den Kugelzonen oder Kugelkappen wird erreicht, dass eine möglichst große Menge Streulicht für einen Streuwinkel zu einem Detektor reflektiert wird. Gleichzeitig können die Kugelzonen oder -kappen vorteilhaft in einer platzsparenden konzentrischen Art und Weise angeordnet werden, wobei durch Verkippen oder Laterales Verschieben eines jeweiligen Spiegels das Licht zur jeweiligen Detektionseinrichtung lenkbar ist. Es wird also bei geringer Baugröße dennoch eine wesentlich erhöhte Lichtausbeute gegenüber einer Lösung ohne Spiegel erreicht.With the spherical zones or spherical caps is achieved that the largest possible amount of scattered light is reflected for a scattering angle to a detector. At the same time, the spherical zones or caps can advantageously be arranged in a space-saving concentric manner, wherein the light can be directed to the respective detection device by tilting or laterally displacing a respective mirror. It is thus achieved with a small size still significantly increased light output compared to a solution without mirror.

Insbesondere sind dabei kleinere Spiegel innerhalb des Volumens der Kugelscheibe oder Kugelkappe angeordnet, deren Mantelfläche der größere der Spiegel darstellt. Mit anderen Worten finden sämtliche Spiegel im gedachten Volumen des größeren der Spiegel Platz.In particular, smaller mirrors are arranged within the volume of the spherical disk or spherical cap, the lateral surface of which represents the larger of the mirrors. In other words, all mirrors find their place in the imaginary volume of the larger mirror.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Anordnung zur Detektion von Partikeln unter Bezugnahme auf die 1.Further features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description of an embodiment of an inventive arrangement for the detection of particles with reference to the 1 ,

1 zeigt eine Anordnung 10 zur Detektion von Partikeln 13. Je nach Anwendung sind die Partikel 13 einfach im Bereich der Anordnung 10 vorhanden oder werden zugeführt und durchgeleitet. Zur Detektion der Partikel weist die Anordnung 10 eine Laserdiode 11 auf. Diese ist so ausgerichtet, dass sie einen Laserstrahl 12 in Richtung der Partikel erzeugt. Teile des Laserstrahls 12, die unbeeinflusst durch die Partikel laufen, treffen auf eine Lichtfalle 14. Die Lichtfalle 14 kann beispielsweise aus einem Umlenkspiegel und einem geeignet unreflektiven Hohlkörper bestehen. Sie sorgt dafür, dass so gut wie kein reflektiertes Laserlicht zu den Partikeln 13 gelangt. 1 shows an arrangement 10 for the detection of particles 13 , Depending on the application, the particles 13 easy in the area of the arrangement 10 present or are supplied and passed. For detecting the particles, the arrangement 10 a laser diode 11 on. This is aligned so that it has a laser beam 12 generated in the direction of the particles. Parts of the laser beam 12 , which run unaffected by the particles, hit a light trap 14 , The light trap 14 may for example consist of a deflection mirror and a suitable unreflective hollow body. It ensures that virtually no reflected laser light to the particles 13 arrives.

In dieser Anordnung 10 sind um einen Punkt 15 auf dem Laserstrahl 12 herum Reflektoren abgeordnet. Der Punkt 15 liegt dabei in Laufrichtung des Laserstrahls 12 zweckmäßig hinter dem Bereich, in dem der Laserstrahl auf die Partikel 13 trifft. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um einen ersten Spiegel 16 und einen zweiten Spiegel 17. Beide Spiegel haben die Form einer Kugelzone. Eine Kugelzone ist ein Abschnitt einer Kugeloberfläche, der verbleibt, wenn eine Scheibe aus der Kugel geschnitten wird, wobei die Kugelzone der Rest der Kugeloberfläche in dieser Scheibe ist. Die Spiegel 16, 17 sind dabei ineinander verschachtelt angeordnet. Das bedeutet, dass der zweite, kleinere Spiegel 17 ganz oder zu wesentlichen Teilen innerhalb des Volumens angeordnet ist, das durch den ersten, größeren Spiegel 16 eingenommen wird. Mit dem Volumen des ersten Spiegels 16 ist dabei das Volumen der Kugelscheibe gemeint, dessen Oberfläche dem ersten Spiegel 16 entspricht. Mit anderen Worten nehmen die beiden Spiegel 16, 17 insgesamt nicht oder kaum mehr Volumen ein als der erste Spiegel 16 allein.In this arrangement 10 are around a point 15 on the laser beam 12 seconded reflectors around. The point 15 lies in the direction of the laser beam 12 expediently behind the area where the laser beam hits the particles 13 meets. In this embodiment, this is a first mirror 16 and a second mirror 17 , Both mirrors are in the form of a spherical zone. A sphere zone is a portion of a spherical surface which remains when a disk is cut from the sphere, the sphere zone being the remainder of the sphere surface in that disk. The mirror 16 . 17 are arranged nested inside each other. That means the second, smaller mirror 17 Wholly or substantially within the volume is arranged by the first, larger mirror 16 is taken. With the volume of the first mirror 16 is meant the volume of the spherical disk whose surface is the first mirror 16 equivalent. In other words, the two mirrors take 16 . 17 no or little more volume than the first mirror 16 alone.

Die Spiegel 16, 17 sind dabei nahezu so angeordnet, dass ihre Achsen, d. h. die Verbindungslinie der Zentren der Kreise, die ihre Kanten darstellen, mit dem Lauf des Laserstrahls übereinstimmen. Sie weisen jedoch gegenüber der exakten Übereinstimmung eine leichte laterale Verschiebung auf, d. h. die Spiegel 16, 17 sind nicht exakt konzentrisch angeordnet.The mirror 16 . 17 are almost arranged so that their axes, ie the line connecting the centers of the circles, which represent their edges, coincide with the course of the laser beam. However, they show a slight lateral displacement relative to the exact match, ie the mirrors 16 . 17 are not arranged exactly concentric.

Dadurch wird erreicht, dass das vom ersten Spiegel 16 reflektierte Licht zu einer ersten Fotodiode 18 gelenkt wird und das vom zweiten Spiegel 17 reflektierte Licht zu einer zweiten Fotodiode 19 gelenkt wird. Wegen der Geometrie der Anordnung ist dabei das Licht, das bei der ersten Fotodiode 18 eintrifft, solches Laserlicht, das von den Partikeln 13 in einen bestimmten ersten Winkelbereich gestreut wird. Das Licht, das bei der zweiten Fotodiode 19 eintrifft, ist Laserlicht, das von den Partikeln 13 in einen bestimmten zweiten Winkelbereich gestreut wird.This will accomplish that of the first mirror 16 reflected light to a first photodiode 18 is directed and the second mirror 17 reflected light to a second photodiode 19 is steered. Because of the geometry of the arrangement is the light, that at the first photodiode 18 arrives, such laser light, that of the particles 13 is scattered in a certain first angular range. The light that is at the second photodiode 19 is laser light coming from the particles 13 is scattered in a certain second angular range.

Neben den zwei hier beschriebenen Spiegel 16, 17 können auch noch weitere Spiegel für weitere Winkelbereiche vorgesehen sein. Diese werden ebenso verschachtelt angeordnet, sodass das Volumen, das von den Spiegeln eingenommen wird, fast oder ganz dem Volumen des größten Spiegels 16 entspricht. Somit wird eine kompakte Anordnung geschaffen, die dennoch eine Partikeldetektion mit Winkelauflösung erlaubt.In addition to the two mirrors described here 16 . 17 can also be provided even more mirrors for more angular ranges. These are also arranged nested so that the volume occupied by the mirrors is almost or entirely the volume of the largest mirror 16 equivalent. Thus, a compact arrangement is provided which still allows particle detection with angular resolution.

Claims

Arrangement ( 10 ) for the detection of particles ( 13 ), comprising: - a light source ( 11 ) for irradiating the particles with a light beam ( 12 ), - at least two detection devices ( 18 . 19 ) for uptake of the particles ( 13 ) scattered portions of light, - two mirrors ( 16 . 17 ) for focusing the particles ( 13 ) in an angular range of scattered light on in each case one of the detection devices ( 18 . 19 ), the mirrors ( 16 . 17 ) each having an opening and are arranged interleaved so that undeflected parts of the light beam ( 12 ) through the openings of the mirrors ( 16 . 17 ) to step.

Arrangement ( 10 ) according to claim 1, wherein at least the larger of the mirrors ( 16 ) has the shape of a spherical zone.

Arrangement ( 10 ) according to claim 2, wherein smaller mirrors ( 16 . 17 ) is arranged within the volume of the spherical disk whose outer surface is the larger of the mirror ( 16 ).

Arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the light source ( 11 ) a laser light source, in particular a laser diode ( 11 ).

Arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the detection devices ( 18 . 19 ) Photodiodes ( 18 . 19 ) are.