-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Partikeln und eine Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln. Im Speziellen betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln auf Basis eines Messsignals eines optischen Sensorelements, wobei die Vorrichtung in mobilen Geräten und insbesondere in Smartphones integriert ist.
-
Stand der Technik
-
Feinstaubbelastung kann in großen Städten mit hohen Verkehrsaufkommen und Industriegebieten problematisch sein, wobei insbesondere gesetzliche Vorgaben berücksichtigt werden müssen. Daher besteht Bedarf, die Luftgüte zu messen, um etwa die Überschreitung von Grenzwerten zu detektieren oder um problematische Bereiche zu identifizieren und Gegenmaßnahmen einzuleiten. Öffentliche oder wissenschaftliche Einrichtungen greifen meist auf technisch aufwendige und fest installierte Messeinrichtungen zurück, um die Partikelbelastung zu ermitteln. Zunehmend besteht jedoch auch im privaten Bereich Interesse daran, die Luftgüte vor Ort zu ermitteln. Besonderer Bedarf besteht daher auch an tragbaren und kompakten Geräten, welche dennoch möglichst exakte Messwerte generieren.
-
Eine Möglichkeit, die Partikelbelastung zu ermitteln, besteht in der Verwendung optischer Messverfahren. Ein optischer Partikelsensor ist aus der
WO 2017/198699 A1 bekannt. Ein Lasersensormodul umfasst eine Vielzahl von Lasern, welche jeweils einen Laserstrahl aussenden. Partikeleigenschaften der Partikel in der Umgebung des Partikelsensors werden mithilfe eines Self-Mixing-Interferenzverfahrens (SMI-Verfahren) bestimmt. Unter einem SMI-Verfahren ist zu verstehen, dass die reflektierten Laserstrahlen mit den ausgesendeten Laserstrahlen interferieren, wobei die Interferenz zu Änderungen der optischen und elektrischen Eigenschaften des Lasers führt, welche wiederum Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Partikel zu lassen.
-
Bei tragbaren Geräten kommt jedoch erschwerend hinzu, dass die Umgebungs- und Betriebsbedingungen des Sensors häufig nicht gut bekannt sind oder sich bei einem Ortswechsel ändern. Insbesondere kann das Ansteuersignal der Laser variieren oder thermische Effekte können Schwankungen hervorrufen. Dadurch werden vor allem diejenigen Komponenten des Messsignals beeinflusst, welche keine Information über die zu messenden Partikel tragen. So kann dem Messsignal ein Gleichanteil überlagert sein d.h. ein Mittelwert-Beitrag, welcher jedoch durch das Messverfahren bedingt ist und nicht von den Partikeln selbst stammt. Diese Gleichanteil kann in Analogie auch als DC-Anteil bezeichnet werden. Ein weiterer Anteil des Messsignals, welcher keine Information trägt, ist ein Beitrag eines Zufallssignal, insbesondere aufgrund von Hintergrundrauschen.
-
Es besteht somit Bedarf, auch unter variierenden Messbedingungen eine genaue Detektion von Partikeln zu gewährleisten.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Detektieren von Partikeln mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 bereit.
-
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
-
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Detektieren von Partikeln, wobei ein Messsignal empfangen wird und mindestens ein Rauschschätzwert unter Verwendung des empfangenen Messsignals berechnet wird. Die Partikel werden unter Verwendung des Messsignals anhand mindestens eines Detektionskriteriums detektiert. Das mindestens eine Detektionskriterium hängt von dem mindestens einen berechneten Rauschschätzwert ab.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln, welche eine Schnittstelle, eine Recheneinrichtung und eine Detektoreinrichtung aufweist. Die Schnittstelle ist dazu ausgebildet, ein Messsignal zu empfangen. Die Recheneinrichtung ist dazu ausgebildet, mindestens einen Rauschschätzwert unter Verwendung des empfangenen Messsignals zu berechnen. Die Detektionseinrichtung ist dazu ausgebildet, die Partikel unter Verwendung des Messsignals anhand mindestens eines Detektionskriteriums zu detektieren. Das mindestens eine Detektionskriterium hängt von dem mindestens einen berechneten Rauschschätzwert ab.
-
Vorteile der Erfindung
-
Indem das Detektionskriterium in Abhängigkeit von dem berechneten Rauschschätzwert angepasst wird, ist es möglich, auch unter veränderlichen Umgebungsbedingungen Partikel verlässlich zu detektieren. Insbesondere wird bevorzugt das Detektionskriterium derart angepasst, dass bei starkem Rauschen Schwellenwerte zum Erkennen von Partikeln angehoben werden. Dadurch können fehlerhafte Detektionen vermieden werden, falls aufgrund des starken Rauschens Partikel detektiert werden, welche nicht existieren. Neben derartigen falsch-positiv-Detektionen können auch falsch-negativ-Detektionen vermieden werden, indem bei schwachem Rauschen die Schwellenwerte zum Erkennen von Partikeln reduziert werden, wodurch sichergestellt werden, dass möglichst sämtliche Partikel auch als solche erkannt werden und die notwendige Messzeit minimiert wird. Die Erfindung eignet sich dadurch besonders für Sensoren in tragbaren Geräten, welche veränderlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das empfangene Messsignal bei dem Berechnen des Rauschschätzwertes gefiltert. Bei dem Filter kann er sich zum Beispiel um ein sogenanntes Optimalfilter (englisch: matched filter) handeln. Das gefilterte Messsignal kann anschließend weiter analysiert werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens umfasst der berechnete mindestens eine Rauschschätzwert mindestens eine der folgenden Größen, nämlich eine mittlere Rauschenergie des gefilterten Messsignals, eine mittlere Rauschleistung des gefilterten Messsignals, einen Effektivwert einer Rauschspannung des gefilterten Messsignals, eine Energiedichte des Rauschens des gefilterten Messsignals, Werte einer Wahrscheinlichkeitsdichte des gefilterten Messsignals, eine spektrale Leistungsdichte des gefilterten Messsignals und eine spektrale Energiedichte des gefilterten Messsignals.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird bei dem Detektieren der Partikel das Messsignal gefiltert. Das mindestens eine Detektionskriterium wird auf das gefilterte Messsignal angewandt.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Filtern des Messsignals, welches bei dem Berechnen des Rauschschätzwertes und/oder bei dem Detektieren der Partikel erfolgt, das Herausfiltern eines Mittelwert-Beitrags zum Messsignal.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens erfolgt das Filtern des Messsignals bei dem Berechnen des Rauschschätzwertes unabhängig von dem Filtern des Messsignals bei dem Detektieren der Partikel. Mit andern Worten wird das Messsignal zweimal gefiltert, wobei auch zumindest teilweise unterschiedliche Filter zum Einsatz kommen können. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann jedoch das Messsignal auch nur einmal gefiltert werden, wobei das derart gefilterte Messsignal sowohl zur Berechnung des Rauschschätzwertes als auch zum Detektieren der Partikel herangezogen wird.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist das mindestens eine Detektionskriterium erfüllt, falls eine Signalstärke eines von dem Messsignal abhängenden Auswertesignals einen Schwellenwert überschreitet, wobei der Schwellenwert von dem mindestens einen berechneten Rauschschätzwert abhängt. Bei mehreren Detektionskriterien kann der Schwellenwert für jedes Detektionskriterium zumindest teilweise unterschiedlich gewählt werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist der Schwellenwert für mindestens einen ersten Rauschschätzwert kleiner als der Schwellenwert für mindestens einen zweiten Rauschschätzwert. Der erste Rauschschätzwert ist hierbei kleiner als der zweite Rauschschätzwert. Hierunter ist insbesondere der Spezialfall enthalten, dass der Schwellenwert umso größer gewählt wird, je größer der Rauschschätzwert ist. Insbesondere kann der Schwellenwert eine lineare oder polynomiale Abhängigkeit von dem Rauschschätzwert aufweisen. Die funktionale Abhängigkeit des Schwellenwertes von dem Rauschschätzwert kann jedoch beispielsweise auch stufenförmig sein.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird für eine Vielzahl von Frequenzbereichen mindestens ein Rauschschätzwert unter Verwendung des empfangenen Messsignals berechnet. Zum Detektieren der Partikel wird für jeden Frequenzbereich der Vielzahl von Frequenzbereichen anhand eines Detektionskriteriums des mindestens einen Detektionskriteriums ein Detektionswert berechnet. Dadurch ist es möglich, die Frequenzabhängigkeit des Rauschens zu berücksichtigen.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden für mindestens zwei verschiedene Frequenzbereiche jeweils verschiedene Berechnungsvorschriften zur Berechnung der Rauschschätzwerte verwendet. Insbesondere werden die verschiedenen statistischen Abhängigkeiten bestimmter Frequenzbereiche berücksichtigt. Insbesondere der Gleichanteil, welcher einem Frequenzbereich entspricht, welcher die Frequenz Null beinhaltet, sowie ein mittlerer Frequenzbereich, welcher die Nyquist-Frequenz beinhaltet, welche der halben Abtastfrequenz entspricht, haben andere statistische Eigenschaften als die übrigen Frequenzbereiche. Durch unterschiedliche Berechnungsvorschriften können diese statistischen Eigenschaften berücksichtigt werden. Insbesondere kann der Rauschschätzwert anhand unterschiedlicher statistischer Verteilungen berechnet werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden für verschiedene Frequenzbereiche jeweils verschiedene Detektionskriterien zur Berechnung des jeweiligen Detektionswertes verwendet. Wiederum können die Schwellenwerte für den Frequenzbereich, welcher die Frequenz Null beinhaltet, und für den Frequenzbereich, welcher die Nyquistfrequenz beinhaltet, unterschiedlich angepasst werden im Vergleich zu den Schwellenwerten für die übrigen Frequenzbereiche.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird anhand der detektierten Partikel eine Partikelzählrate bestimmt. Hierunter kann die Gesamtanzahl der detektierten Partikel in einem gegebenen Zeitintervall verstanden werden. Die Partikelzählrate kann auch auf einen bestimmten Raumwinkelbereich bezogen sein. Anhand der Partikelzählrate und unter Berücksichtigung des mindestens einen Rauschschätzwertes wird mindestens eine Partikeleigenschaft der Partikel oder eine davon abgeleitete Größe bestimmt. Beispielweise können Partikeldichten, Strömungsgeschwindigkeiten der Partikel, Verweildauern der Partikel oder Werte für die Luftgüte berechnet werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird anhand der detektierten Partikel eine Partikelzählrate bestimmt. Anhand des mindestens einen Rauschschätzwertes wird mindestens eine Abschätzung der Genauigkeit der Partikelzählrate berechnet. Etwa kann die Genauigkeit der Partikelzählrate umso höher eingeschätzt werden, je kleiner der mindestens eine Rauschschätzwert ist. Umgekehrt ist die Genauigkeit der Partikelzählrate umso geringer, je größer der mindestens eine Rauschschätzwert ist.
-
Figurenliste
-
Es zeigen:
- 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Filterrichtung zur Verwendung in einer Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln;
- 3 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- 4 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
- 5 eine beispielhafte Frequenzabhängigkeit der spektralen Leistungsdichte;
- 6 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
- 7 eine beispielhafte Verteilung der Leistungsdichte auf verschiedene Frequenz-Bins;
- 8 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
- 9 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Detektieren von Partikeln gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung; und
- 10 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren von Partikeln gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbilds einer Vorrichtung 100 zum Detektieren von Partikeln.
-
Die Vorrichtung 100 weist eine Schnittstelle 101 auf, welche dazu ausgebildet ist, ein Messsignal zu empfangen. Bei dem Messsignal kann es sich um ein analoges oder digitales Signal eines beliebigen Sensors handeln, etwa eines optischen Sensorelements, welches Laserstrahlung aussendet und empfängt. Das Messsignal kann insbesondere mittels Self-Mixing-Interferenzverfahren generiert werden. Die Vorrichtung 100 kann zusammen mit dem Sensorelement in ein Sensorsystem einer tragbaren Vorrichtung integriert sein.
-
Die Vorrichtung 100 weist weiter eine Recheneinrichtung 102 auf, welche das über die Schnittstelle 101 empfangene Messsignal auswertet und einen oder mehrere Rauschschätzwerte berechnet. Einer der Rauschschätzwerte kann beispielsweise die mittlere Rauschenergie des Messsignals sein, d.h. derjenige Anteil der mittleren Energie des Messsignals, welcher dem Rauschen zugeordnet wird. Hierzu kann zuerst die gesamte mittlere Energie des Messsignals berechnet werden und anschließend die Energie des Gleichanteils des subtrahiert werden. Der Rauschschätzwert kann weiter eine mittlere Rauschleistung des Messsignals sein, ein Effektivwert einer Rauschspannung des Messsignals, eine Energiedichte des Rauschens des Messsignals, Werte einer Wahrscheinlichkeitsdichte des Messsignals und/oder eine spektrale Leistungsdichte des Messsignals. Weitere Verfahren zum Berechnen des mindestens einen Rausschätzwertes können Histogramm-Methoden, Analysen von Verteilungsfunktionen oder Autokorrelations-Verfahren umfassen.
-
Die Vorrichtung 100 umfasst weiter eine Detektionseinrichtung 103, welche das über die Schnittstelle 101 empfangene Messsignal und den mindestens einen von der Recheneinrichtung 102 berechneten Rauschschätzwert als Eingangsgrößen empfängt. Die Detektionseinrichtung 103 wertet das empfangene Messsignal aus, um Partikel zu detektieren. So kann die Detektionseinrichtung 103 beispielsweise eine Amplitude des empfangenen Messsignals mit einem Schwellenwert vergleichen und ein Partikel detektieren, falls die Amplitude des empfangenen Messsignals den Schwellenwert überschreitet. Auf Basis der Detektion gibt die Detektionseinrichtung 103 ein Detektionssignal aus. Der zur Detektion verwendete Schwellenwert hängt von dem mindestens einen Rauschschätzwert ab. Im Allgemeinen soll der Schwellenwert für höhere Rauschschätzwerte höhere Werte annehmen, kann also beispielsweise eine polynomiale Abhängigkeit von dem mindestens einen Rauschschätzwert aufweisen. Der Schwellenwert kann jedoch als Funktion einiger oder sämtlicher Rauschschätzwerte auch einen stufenförmigen Verlauf aufweisen. Der Schwellenwert ist somit eine steigende Funktion in Bezug auf den mindestens einen Rauschschätzwert. Im einfachsten Fall erzeugt die Recheneinrichtung 102 genau einen Rauschschätzwert und der von der Detektionseinrichtung 103 verwendete Schwellenwert hängt linear von dem Rauschschätzwert ab, wobei der Proportionalitätsfaktor anhand von Testmessungen unter kontrollierten Bedingungen eingestellt werden kann.
-
Die Vorrichtung 100 umfasst weiter eine Auswerteeinrichtung 104, welche dazu ausgebildet ist, das von der Detektionseinrichtung 103 ausgegebene Detektionssignal weiter auszuwerten. Insbesondere kann die Detektionseinrichtung 103 jedes Mal, wenn die Amplitude des Messsignals den Schwellenwert überschreitet, d.h. wenn ein Partikel detektiert wird, ein entsprechendes Detektionssignal an die Auswerteeinrichtung 104 ausgeben. Die Auswerteeinrichtung 104 kann beispielsweise die Gesamtanzahl der Partikel berechnen oder die Partikelzählrate, d.h. die Anzahl der Partikel in einem vorgegebenen Zeitintervall. Weiter kann die Auswerteeinrichtung 104 davon abgeleitete Größen, etwa einen Wert für die Luftgüte berechnen, wobei zusätzliche Annahmen über die Art und Beschaffenheit der Partikel einfließen können. Insbesondere können Annahmen über die Dichte oder Größe der Partikel in die Berechnungen einfließen.
-
Anstelle des ursprünglichen Messsignals kann die Detektionseinrichtung 103 auch ein bereits bearbeitetes Messsignal auswerten und die Amplitude des bereits bearbeiteten Messsignals mit dem Schwellenwert vergleichen. Insbesondere kann die Vorrichtung 100 optional eine Filtereinrichtung 105 aufweisen, welche das über die Schnittstelle 101 empfangene Messsignal filtert. Mittels der Filtereinrichtung 105 können beispielsweise Rauschanteile oder Gleichanteile, welche auf dem Messprinzip basieren, jedoch nicht von den Partikeln stammen, zumindest teilweise gefiltert werden. Weiter kann die Detektionseinrichtung 103 ein Signal, welches proportional zur effektiven Spannung des Messsignals oder des gefilterten Messsignals ist, mit dem Schwellenwert vergleichen, um die Partikel zu detektieren.
-
2 zeigt eine beispielhafte Filtereinrichtung 105, wobei das über die Schnittstelle 101 empfangene Messsignal einer Schätzeinrichtung 1051 bereitgestellt wird, welche dazu ausgebildet ist, den Gleichanteil zu schätzen. Ein Subtrahierglied 1052 ist dazu ausgebildet, den ermittelten Gleichanteil von dem empfangenen Messsignal zu subtrahieren und das verbleibende Signal als gefiltertes Messsignal auszugeben.
-
3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung 200 zum Detektieren von Partikeln. Die Vorrichtung 200 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Vorrichtung 100 dadurch, dass zusätzlich oder alternativ zu der oben beschriebenen ersten Filtereinrichtung 105 eine zweite Filtereinrichtung 206 bereitgestellt ist, welche das empfangene Messsignal filtert. Die Recheneinrichtung 102 empfängt als Eingangsgröße das bereits von der zweiten Filtereinrichtung 206 gefilterte Messsignal, wobei also beispielweise bereits der Gleichanteil gefiltert wurde. Gemäß weiteren Ausführungsform kann lediglich die zweite Filtereinrichtung 206 vorgesehen sein, während auf die erste Filtereinrichtung 105 verzichtet wird. Das über die Schnittstelle 101 bereitgestellte Messsignal wird somit eingangs gefiltert und anschließend sowohl von der Recheneinrichtung 102 als auch von der Detektionseinrichtung 103 ausgewertet.
-
4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung 300 zum Detektieren von Partikeln. Die Vorrichtung 300 stellt eine Abwandlung der in 3 gezeigten Vorrichtung 200 dar. Die Vorrichtung 300 unterscheidet sich dadurch, dass die Auswerteeinrichtung 304 zusätzlich zu dem von der Detektionseinrichtung 103 ausgegebenen Messsignal auch mindestens einen Rauschschätzwert, welcher von der Recheneinrichtung 102 berechnet wurde, berücksichtigt. Insbesondere kann anhand des mindestens einen Rauschschätzwertes auf die Umgebungsbedingungen rückgeschlossen werden, was etwa in die Berechnung der abgeleiteten Größen, wie der Luftgüte, einfließen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinrichtung 304 die Genauigkeit bzw. statistische Relevanz der berechneten Größen, insbesondere die Genauigkeit bzw. statistische Relevanz der Partikelzählrate berechnen. Je größer der mindestens eine Rauschschätzwert ist, desto geringer wird die Genauigkeit der Partikelzählrate veranschlagt. Die Genauigkeit ist somit eine fallende Funktion in Bezug auf den mindestens einen Rauschschätzwert. Die Auswerteeinrichtung 304 kann weiter zum Steuern oder Messen der Energie des Messsignals oder des Betriebspunktes des Sensors ausgebildet sein. Der mindestens eine Rauschschätzwert, welcher von der Detektionseinrichtung 103 berücksichtigt wird, muss nicht der gleiche sein wie der mindestens eine Rauschschätzwert, welcher von der Auswerteeinrichtung 304 berücksichtigt wird.
-
5 zeigt die Abhängigkeit der spektralen Leistungsdichte (englisch: power spectral density, PSD) als Funktion der Frequenz f. Die Rauschenergiedichte bezeichnet den einem Frequenzintervall df zukommenden Beitrag zur gesamten Leistung des Rauschbeitrags des Messsignals. Wie der 5 zu entnehmen ist, ist die Rauschleistungsdichte im Allgemeinen nicht konstant sondern variiert als Funktion der Frequenz f.
-
6 zeigt eine Vorrichtung 400 zum Detektieren von Partikeln. Die Vorrichtung 400 weist eine oben beschriebene Schnittstelle 101 auf sowie eine Frequenz-Filtereinrichtung 407, welche die einzelnen Frequenzbeiträge des über die Schnittstelle 101 empfangenen Messsignals berechnet. So kann die Frequenz-Filtereinrichtung 407 mittels schneller Fourier-Transformation, FFT, den Anteil des Messsignals bestimmen, welcher auf ein jeweiliges Bin einer Vielzahl N von Bins entfällt. Jedes Bin entspricht einem bestimmten Frequenzintervall. Das Bin, in welches die Frequenz Null fällt, kann als DC-Bin bezeichnet werden, während die verbleibenden Bins als AC-Bins bezeichnet werden können. Das DC-Bin korrespondiert also im Wesentlichen zum Mittelwert des Messsignals. Die Vorrichtung 400 umfasst weiter eine Vielzahl n von Filtereinrichtungselementen 4021 bis 402n, welche eine Filtereinrichtung 402 bilden. Hierbei bezeichnet n die Anzahl der ausgewerteten Bins, wobei n kleiner oder gleich der Vielzahl N von Bins ist. Die Filtereinrichtungselemente 4021 bis 402n berechnen für den auf das entsprechende Bin entfallenden Anteil des Messsignals jeweils mindestens einen Rauschschätzwert, wie oben detaillierter beschrieben. Weiter umfasst die Vorrichtung 400 eine Detektionseinrichtung 403, welche eine Vielzahl n von Detektionseinrichtungs-Elementen 4031 bis 403n umfasst, welche anhand des auf das entsprechende Bin entfallenden Anteils des Messsignals sowie des zugehörigen mindestens einen Rauschschätzwertes Partikel detektieren und ein jeweiliges Detektionssignal ausgeben. Eine Auswerteeinrichtung 404 weist eine Vielzahl n von Auswerteeinrichtungs-Elementen 4041 bis 404n auf, welche das jeweilige Detektionssignal, wie oben beschrieben, weiter auswerten und beispielweise eine Partikelzählrate für das entsprechende Bin berechnen. Somit ist es möglich, für jedes Bin, d.h. für jeden Frequenzbereich, die Detektion separat durchzuführen. Weiter kann es vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung 404 sämtliche Detektionssignale parallel auswertet, etwa um die Gesamt-Zählrate zu berechnen.
-
Die Berechnungsvorschriften zur Berechnung der Rauschschätzwerte können sich für verschiedene Frequenzbereiche unterscheiden. Weiter können sich die Detektionskriterien, welche zur Berechnung des jeweiligen Detektionswertes verwendet werden, für verschiedene Frequenzbereiche unterscheiden. Insbesondere kann der Schwellenwert von dem Bin abhängen.
-
7 zeigt die Abhängigkeit der Rauschleistungsdichte PSD bzw. des Leistungsspektrums (englisch: power spectrum, PS) von der Frequenz für die einzelnen Bins. Allgemein umfasst der auf ein entsprechendes Bin entfallende Anteil des Messsignals den Energiebeitrag aufgrund der Partikel und den Rauschbeitrag. Das Messsignal weist somit ein zufälliges, stochastisches Verhalten auf. Die statistischen Eigenschaften der Zufallsprozesse unterscheiden sich für verschiedene Frequenzbereiche. Insbesondere das DC-Bin sowie dasjenige AC-Bin, in welchem die Nyquist-Frequenz liegt, weisen ein sich von den restlichen AC-Bins unterscheidendes statistisches Verhalten auf. Die Berechnung der Rauschschätzwerte erfolgt für diese Bins beispielsweise unter Verwendung unterschiedlicher statistischer Annahmen. Insbesondere kann für das DC-Bin und das AC-Bin, in welchem die Nyquist-Frequenz liegt, eine Chi-Quadrat-Verteilung mit k = 1 angenommen werden, während für die verbleibenden AC-Bins eine Chi-Quadrat-Verteilung mit k = 2 angenommen wird. Insbesondere kann der Schwellenwert für das DC-Bin sowie das AC-Bin, in welchem die Nyquist-Frequenz liegt, unterschiedlich berechnet und angepasst werden im Vergleich zum Schwellenwert für die verbleibenden AC-Bins. Beispielsweise können die Schwellenwerte derart gewählt werden, dass das Verhältnis der Energie des Messsignals aufgrund der Partikel zur Energie des Messsignals aufgrund des Rauschens für sämtliche Bins im Wesentlichen denselben Wert annimmt.
-
8 zeigt eine Vorrichtung 500 zum Detektieren von Partikeln, welche eine Abwandlung der Vorrichtung 400 ist. Zusätzlich ist eine Filtereinrichtung 505 vorgesehen, welche eine Vielzahl n von Filtereinrichtungs-Elementen 5051 bis 505n umfasst, welche den auf ein entsprechendes Bin entfallenden Anteil des Messsignals auf die oben beschriebene Weise filtern, bevor dieser von dem jeweiligen Detektionseinrichtungs-Element 4031 bis 403n ausgewertet wird, um die Partikel zu detektieren.
-
9 zeigt eine Vorrichtung 600 zum Detektieren von Partikeln, welche eine Abwandlung der Vorrichtung 500 ist. Die Frequenz-Filtereinrichtung 607 weist neben einem Filterelement 6071, welches die schnelle Fourier-Transformation durchführt, eine Vielzahl n von zweiten Filtereinrichtungs-Elementen 60721 bis 6072n auf, welche eine zweite Filtereinrichtung 6072 bilden, und das Messsignal bereits vor der Berechnung des jeweiligen mindestens einen Rauschschätzwertes filtern. Die zweite Filtereinrichtung 6072 kann zusätzlich oder alternativ zu der ersten Filtereinrichtung 505 vorgesehen sein.
-
10 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren von Partikeln.
-
In einem Verfahrensschritt S 1 wird ein Messsignal empfangen, insbesondere ein Messsignal eines optischen Sensors.
-
In einem Verfahrensschritt S2 wird mindestens ein Rauschschätzwert unter Verwendung des empfangenen Messsignals berechnet. Wie oben beschrieben, kann auch jeweils mindestens ein Rauschschätzwert für eine Vielzahl n von Bins berechnet werden, d.h. für jeweilige Frequenzbereiche. Weiter kann es vorgesehen sein, das Messsignal vor dem Berechnen des mindestens einen Rauschschätzwertes zu filtern. Für die verschiedenen Frequenzbereiche können unterschiedliche Berechnungsvorschriften zum Berechnen der Rauschschätzwerte verwendet werden.
-
In einem Verfahrensschritt S3 werden unter Verwendung des Messsignals anhand mindestens eines Detektionskriteriums Partikel detektiert. Das Detektionskriterium, wobei es sich um den Vergleich mit einem Schwellenwert handeln kann, hängt von dem mindestens einen Rauschschätzwert ab. Die Detektion kann wiederum für jedes Bin separat erfolgen, wobei die Detektionskriterien, etwa die verwendeten Schwellenwerte, von dem jeweiligen Bin abhängen können. Anschließend können die Detektionsergebnisse kombiniert werden, etwa um eine Gesamt-Partikelzählrate zu berechnen. Bei der Detektion kann auch ein zuvor gefiltertes Messsignal ausgewertet werden. Schließlich kann der mindestens eine Rauschschätzwert auch zur Auswertung des Messsignals, insbesondere zur Berechnung einer Qualität oder Genauigkeit der Auswertung herangezogen werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
