CN114910432A - 具有用于发射窄带宽的光的led发射体的光学气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于定量地测量一种或多种气体的浓度的光学气体传感器（1），所述光学气体传感器（1）具有：用于发射光波（L）的辐射源（2）、用于容纳要测量的气体（G）的样品池（3）以及用于测量光强度的探测器（4）。辐射源（2）具有光波（L）的至少一个发射体（5），并且被构造为同时以及彼此分开地发射至少一个第一波长和至少一个与第一波长不同的第二波长的光波（L）。此外，发射体（5）还被构造为发射如下光谱以及发射具有被引导的光路的光波（L），所述光谱的半峰全宽最大为质心波长的50%。探测器（4）被构造为定量地检测所发射的第一波长和第二波长的光波（L）的强度。

Description

具有用于发射窄带宽的光的LED发射体的光学气体传感器

技术领域

本发明涉及一种用于定量地测量一种或多种气体的浓度的光学气体传感器。

光学气体传感器不仅能够实现定性地确定一种或多种气体的存在，而且能够实现定量地确定一种或多种气体的浓度。这样的气体传感器例如被用在用于运送和处理可燃的和/或有毒气体的设备中的气体探测装置中，以便探测不期望地逸出的气体。

背景技术

公知具有发射体、样品池（Küvette）以及探测器的光学气体传感器。在光学气体传感器的情况下，发射体是光源、诸如白炽灯，所述光源发射宽的光谱的光波、即具有大量不同的波长的光波。样品池优选地是基本上封闭的空间，要测量的气体处在所述空间内。样品池可以向外具有开口，所述开口能够实现样品池与气体传感器的周围环境的气体交换。探测器是光传感器，利用所述光传感器能优选地测量射到所述探测器上的光的强度。为了探测确定的波长的光，带通滤波器被连接在相对应的探测器之前。这样的带通滤波器可以被构造用于使一个或多个波长通过。

在运行时，要测量的气体或气体混合物被导入到样品池中。为此，样品池可以具有一个或多个开口。从光源发射的光波根据气体混合物的组成部分的浓度以及吸收波长而被相应的气体更强烈地或没那么强烈地吸收，并且紧接着射到如下光传感器上，所述光传感器测量所述光波的强度。以这种方式能确定，哪些波长已经如何强烈地被气体吸收。由于公知不同气体的特定的吸收特性，从所述结果中能确定气体混合物的组成。

从DE 202 02 694 A1中公知一种光学气体传感器，其具有用于容纳要测量的气体的圆柱形样品池。在样品池处，沿纵轴向的方向在一侧布置有平面镜，而在另一侧布置有凹面镜。凹面镜具有多个用于容纳白炽灯和光波探测器的凹陷部。从白炽灯发射的光波首先在平面镜与凹面镜之间多次被放射，直到这些光波射到光波探测器上。经此，延长了光波在其上可被要测量的气体或气体混合物吸收的光路程。因此，能更好地测量弱吸收性气体。

这样的光传感器尤其是具有如下缺点，白炽灯和光波探测器在凹面镜处的布置由于凹面镜的弯曲的表面而仅能以高成本来制造。此外，大量被用在光学气体传感器中的光源具有如下缺点，发射相对宽的光波谱。因此，不仅发射了具有对于测量气体浓度所需的波长的光波，而且发射了具有对于测量气体浓度不重要的并且为了避免测量误差而必须被带通滤波器过滤出来的波长的光波。经此，使光学气体传感器的效率受消极影响。除此之外，白炽灯尤其是具有如下缺点，电能的大部分被转化成热，所述热必须作为损耗热被排出。这导致气体传感器的过多的能量消耗，而且尤其是对于通过内部电流源（诸如电池）来供电的移动应用来说是不利的。由于耗电提高，电池的寿命以及因此移动气体传感器的运行时长明显被降低。

发明内容

从所述现有技术出发，本发明的所基于的任务已在于提供一种至少部分地不具有这些缺点的光学气体传感器。因而，本发明的任务是提供一种光学气体传感器，利用所述光学气体传感器尤其是能定量地测量弱光波吸收性气体的浓度，并且所述光学气体传感器具有被改善的效率。

前述任务通过一种具有专利权利要求1的特征的用于定量地测量一种或多种气体的浓度的光学气体传感器来解决。本发明的其它的特征和细节从其它的专利权利要求、说明书以及附图中得出。

因此，该任务通过一种用于定量地测量一种或多种气体的浓度的光学气体传感器来解决，所述光学气体传感器具有用于发射光波的辐射源、用于容纳要测量的气体的样品池以及用于测量光强度的探测器。辐射源具有光波的至少一个发射体、诸如LED，并且被构造为同时以及彼此分开地发射至少一个第一波长的和至少一个与所述第一波长不同的第二波长的光波。发射体优选地被构造为发射如下光谱：所述光谱的半峰全宽（volleHalbswertsbreite）最大为质心波长的50%。此外，发射体优选地还被构造为发射如下离散光谱：所述离散光谱的半峰全宽最大为质心波长的20%。探测器被构造为定量地检测所发射的第一波长和第二波长的光波的强度。发射体优选地被构造为将由发射体消耗的电能的至少80%转化成光波。

本发明所基于的思想在于，通过使用这样的发射体可以显著地改善光学气体传感器的效率。经此，在生成光波时产生更少的热并且因此消耗更少的电能。在通过LED将电能转化成光波时，与例如通过如在许多传统的气体传感器中所使用的白炽灯相比生成更少的热。因此，气体传感器在运行时具有更少的耗电。这尤其对于移动应用来说是有利的，因为经此能明显延长所述移动应用的蓄电池的充电循环或电池的寿命。

通过分开发射不同波长的光波，例如能生成主信号以及参考信号，其中所述参考信号能用于检验主信号的测量结果。这里，应示例性地列举一种用于定量地确定甲烷的实施方案。在此，测量信号的测量波长被选择为具有大约3.2μm，参考信号的合适的参考波长得出为3.1μm和/或为3.9μm。

不同波长的越多光波能优选地分开地生成，越多气体能利用按照本发明的气体传感器定量地被确定。由此得出，发射体只发射相对窄带宽的光谱。光波由于气体的吸收特性而优选地在红外范围内。

被构造成LED的发射体具有如下优点，利用所述被构造成LED的发射体能发射相对短的光脉冲，而LED在光脉冲以后不像白炽灯那样有余辉。各个LED因此可以基本上紧接着相继发射光脉冲，使得例如测量信号和参考信号延伸穿过被布置在样品池中的基本上恒定的气体混合物。经此避免或减少了测量误差。此外，LED还具有如下优点，所述LED适合于发射相对窄带宽的光谱，并且在将电能转化成光波的情况下具有特别好的效率。LED在作为发射体的构造中的特殊的光学特性例如是从利用光波导进行光学信号传输的领域中公知的。尤其是所发射的光谱由于半峰宽度和质心波长引起的窄带宽性例如在DE 40 11 462 C2中予以阐释。

探测器例如是在光波射到时生成电流的光电二极管，所述电流的电流强度与光波的强度有关。因此，确定波长的光波经过气体的吸收度以及气体的类型或气体混合物的组成能被确定。优选地，至少一个探测器被构造为检测大量不同的、优选地不相交的波长范围。因此，利用样品池和探测器能以简单并且成本有利的方式探测至少两种不同的气体。

相对应的带通滤波器例如可以为了避免干扰影响而被布置在探测器之前。根据对气体传感器的设计，可以根据辐射源来构造带通滤波器。因此，在能用来发射例如以四个不同波长的光波的辐射源的情况下，在探测器前面优选地布置有如下带通滤波器，所述带通滤波器对于这四个波长来说都能通过。带通滤波器所具有的另一优点是，不被带通滤波器通过的光波可以被所述带通滤波器反射。因此可以是有利的是，在发射体或辐射源处布置带通滤波器，使得在具有被布置在其前面的带通滤波器的多个辐射源的情况下，与没有带通滤波器相比，镜的更少的反射面丢失。样品池优选地被构造为使得干扰影响、诸如来自气体传感器的周围环境的光波不能侵入样品池或射到探测器上。经此，确保了气体传感器的测量结果的必要的精确度。此外，样品池与气体传感器的周围环境的空气交换优选地是能调节的或者是相对小的，使得在具有将测量信号以及参考信号至少发射一次的测量周期期间，在样品池内的气体混合物基本上保持恒定。经此，同样避免或减小了测量误差。

此外还可以规定，辐射源具有至少一个第一发射体和至少一个第二发射体，其中第一发射体被构造为发射第一波长的光波而第二发射体被构造为发射第二波长的光波。探测器和/或至少一个发射体具有至少一个光学滤波器、诸如带通滤波器。发射体优选地被构造成LED。这样的辐射源能容易地被制造，并且需要相对小的结构空间。特别优选地，可以规定，辐射源被构造为发射离散光波谱。因此，辐射源被构造为只生成具体的波长的或相对窄的波长范围的光波。除此之外可以规定，在辐射源前面布置带通滤波器，所述带通滤波器进一步缩小了由辐射源生成的波长范围。特别优选地，能由辐射源生成大量具有如下波长的光波，所述波长在IR光谱内彼此间隔开。

优选地可以规定，样品池具有镜装置，所述镜装置具有平面镜和与平面镜对置地布置的凹面镜，其中所述凹面镜的光轴基本上垂直于平面镜地来布置。凹面镜与平面镜之间的距离优选地对应于凹面镜的曲率半径的整数分之一。在光束射到光传感器上之前，所述光束在所述镜之间多次、例如四次或六次经过样品池。所述布置具有如下优点，弱吸收性测量气体在气体传感器的相对紧凑的结构尺寸的情况下也能被测量。优选地，凹面镜的曲率半径能被改变，或所述凹面镜能被具有不同的曲率半径的凹面镜更换。

经此，光波在气体传感器内的光路可以被构造为可变的，使得光波根据对凹面镜的曲率半径的调整而以不同频度在凹面镜与平面镜之间被反射，直到所述光波射到探测器上。这具有如下优点，气体传感器不仅能被用于具有弱的光波吸收的测量气体，而且能被用于具有强的光波吸收的测量气体。

可替换地，镜装置可以具有两个基本上朝向彼此布置的平面镜，其中例如能通过调整辐射源或至少一个镜来实现光束的相对应的反射。所述变型方案能特别简单地，以及成本有利地被制造。

优选的是，与镜的表面法向的入射角尽可能小，也就是说，光波近似垂直地射到所述镜上。经此，减小了导致光波的吸收的干扰因素（诸如在镜表面上的水分）的影响。

此外，还优选地可以规定，辐射源和/或探测器被布置在平面镜处。因此，以这样布置的辐射源和探测器能例如通过透光玻璃或带通滤波器容易地与样品池的内部隔离，使得它们不与测量气体直接接触。这尤其是在被布置在样品池中的流体可能潜在地损坏辐射源或探测器时是有利的。此外，将辐射源和探测器布置在一个平面上还具有如下优点，它们能被布置在一个共同的板上。这样的布置因此能特别简单地并且成本有利地被制造。进一步优选地，辐射源与光轴同平面镜的交点相距的距离对应于探测器与该交点相距的距离。这样的平面镜由于其对称性而能特别容易地被安装。

在按照本发明的气体传感器的一个特别优选的设计方案中可以规定，辐射源和探测器被布置在样品池处，使得由辐射源发射的光波直接射到探测器上。在对此有利的布置中，辐射源和探测器没有被布置在相同的镜处，使得光波在没有被反射的情况下射到探测器上。这具有如下优点，能确定特别强烈的吸收性气体。这样的气体传感器优选地具有至少两个彼此间隔开的辐射源，其中至少一个辐射源被布置在样品池处，使得由辐射源发射的光波仅仅通过镜装置入射到探测器上。

气体传感器优选地被构造为使得辐射源与探测器间隔开地被布置在样品池处。

发射体被构造为发射具有被引导的光路的光波。在此，平面镜和凹面镜就本发明而言被视为样品池的组成部分。特别有利地，这样的布置适合于被确定用于测量如下气体的气体传感器，所述气体仅仅微弱地吸收光波。光波作为被引导的光路被发射，该光路基本上不具有漫射辐射。这具有如下优点，所发射的光特别高效地被用于探测气体。除此之外，这尤其是对于适合于探测具有弱的光吸收的气体的气体传感器是有利的，因为经此实现了气体传感器的特别紧凑的结构类型。

有利的是，在样品池处布置有恰好一个探测器。在此，该探测器被构造为定量地检测基本上只由辐射源发射的光波。为此，该探测器例如可以具有相对应的带通滤波器。这样的传感器特别适合于要求高精准度的应用。可替换地，该探测器可以被构造为定量地检测不同波长的光波的宽光谱，其中由辐射源发射的光波是该光谱的一部分。这样的传感器能成本特别有利地被制造。只使用一个探测器具有如下优点，可以节省其它探测器的成本。此外，样品池在只有一个探测器以及相同的结构尺寸的情况下具有镜的更大的反射面，因为镜的仅仅还有一个位置具有探测器。经此，尤其是可以改善在测量仅仅微弱地吸收光波的气体时的精确度。

在本发明的另一设计方案中，在样品池处彼此间隔开地布置有至少两个辐射源。这例如具有如下优点，各个辐射源都可具有一个不那么复杂的结构。此外，有缺陷的辐射源能彼此独立地被更换。经此可以减小维修或更换成本。在本发明的一个优选的改进方案中，在样品池处布置有四个辐射源。

特别优选的是，样品池具有两个探测器，其中所述探测器被构造用于测量不同的辐射源或两个辐射源的不同的发射体（诸如不同的LED）的光强度。在此，所述探测器优选地被布置为使得由每个探测器只能检测一个辐射源的光波。可替换地或附加地，所述辐射源可以不同地切换或调制。所述布置具有如下优点，多种被布置在样品池中的测量气体能同时定量地被确定。

特别优选地，气体传感器具有至少有一个双带通滤波器，该双带通滤波器优选地被布置在辐射源处。进一步优选地，气体传感器具有至少有一个三带通滤波器，该三带通滤波器优选地被布置在辐射源处。经此，由相应的辐射源发射的光波的光谱能被划分成彼此明显分开的波长或波长谱。

附图说明

其它改善本发明的措施从随后对本发明的几个实施例的描述中得出，所述实施例在附图中示出。由权利要求书、说明书或附图得知的特征和/或优点的全部、包括结构细节和空间布置在内不仅可以单独地而且可以以不同的组合来反映发明本质。各附图分别是：

图1示意性地示出了按照本发明的气体传感器的第一实施方式的侧视图；

图2示意性地示出了对来自图1的按照本发明的气体传感器的平面镜的俯视图；

图3示意性地示出了对按照本发明的气体传感器的第二实施方式的平面镜的俯视图；以及

图4示意性地示出了对按照本发明的气体传感器的第三实施方式的平面镜的俯视图。

具体实施方式

按照本发明的光学气体传感器1的在图1中绘出的第一实施方式具有基本上被构造为圆柱形的样品池3，在所述样品池3中布置有要测量的气体G或气体混合物。样品池3具有至少一个在该视图中不能识别的开口，用于被布置在样品池3中的气体G与来自气体传感器1的周围环境的气体G的交换。在样品池3的端面处布置有平面镜6，而在另一端面处布置有凹面镜7。所述平面镜具有辐射源2，所述辐射源2被构造用于发射在IR光谱内的两个不同波长的光波L并且对准凹面镜7的方向。辐射源2具有被构造成LED的发射体5，并且被构造为使得不同波长的光波L能彼此独立地被发射。在发射体5前面可选地布置有光学滤波器，诸如带通滤波器、双带通滤波器或三带通滤波器。探测器4与光源2间隔开地被布置在平面镜6处并且被对准凹面镜7的方向。探测器4被构造用于测量光波的强度。凹面镜7具有光轴8，所述光轴8基本上垂直于平面镜6地来布置。在所述第一实施方式中，凹面镜7与发射体5相距的距离大约为凹面镜7的曲率半径的一半。在使用被布置在发射体5前面的光学滤波器的情况下，所述距离稍大于凹面镜7的曲率半径的一半。在该图示中绘出了由辐射源2发射的两个不同的光束L，其中第一光束L由实线来示意性地表示而第二光束L由虚线来示意性地表示。所发射的光束L分别从凹面镜7被反射到平面镜6上并且又被反射到凹面镜7上，直到所述光束L射到探测器4上。该布置在要测量的气体G仅仅微弱地吸收光波L时以及在气体传感器1必须具有尽可能紧凑的结构尺寸时是特别有利的。

图2以俯视图示出了气体传感器1的第一实施方式的平面镜6。该平面镜6具有：第一孔洞9，在所述第一孔洞9中布置有具有第一发射体5a以及第二发射体5b的辐射源2；以及第二孔洞10，在所述第二孔洞10中布置有探测器4。按照本发明的气体传感器1的所述第一实施方式尤其是适合于定量地测量气体浓度或适合于探测唯一的气体G。为此，能由第一发射体5a和第二发射体5b交替地发射不同波长的光波L和/或能用不同的频率对其进行调制。探测器4确定这些部分被吸收的光波L的强度。在此，由第二发射体5b发射的光波能被用作参考信号。在该实施方式中，第一发射体5a和第二发射体5b被构造成LED。

在图3中以俯视图绘出了按照本发明的气体传感器1的第二实施方式的平面镜6。该平面镜6具有：第一孔洞9，在所述第一孔洞9中布置有具有第一发射体5a、第二发射体5b以及第三发射体5c的辐射源2；以及第二孔洞10，在所述第二孔洞10中布置有探测器4。在第一发射体5a和/或第二发射体5b和/或第三发射体5c前面可选地布置有光学滤波器，诸如带通滤波器、双带通滤波器或三带通滤波器。第一发射体5a、第二发射体5b和第三发射体5c在该实施方式中被构造成LED。气体传感器1的第二实施方式与第一实施方式的区别在于，辐射源2附加地具有第三发射体5c。按照本发明的气体传感器1的所述第二实施方式尤其是适合于定量地测量或探测两种不同的气体G。为此，能由第一发射体5a、第二发射体5b和第三发射体5c发射不同波长的光波L。探测器4确定这些部分被吸收的光波L的强度。在此，例如由第三发射体5c发射的光波用作参考信号。

在图4中以俯视图绘出了按照本发明的气体传感器1的第三实施方式的平面镜6。该平面镜6具有两个第一孔洞9和两个第二孔洞10。在一个第一孔洞9中布置有具有第一发射体5a以及第二发射体5b的第一辐射源2a。在另一个第一孔洞9中布置有具有第三发射体5c以及第四发射体5d的第二辐射源2b。在一个第二孔洞10中布置有第一探测器4a，而在另一个第二孔洞10中布置有第二探测器4b。气体传感器1的第三实施方式与第一实施方式的区别在于，气体传感器1具有两个辐射源2以及两个探测器4。由第一辐射源2a发射的光波优选地能仅仅或基本上由第一探测器4a来检测，而由第二辐射源2b发射的光波L能仅仅或基本上由第二探测器4b来检测。在运行时，第一辐射源2a和第二辐射源2b可以同时发射光波L。第一发射体5a、第二发射体5b、第三发射体5c和第四发射体5d在该实施方式中被构造成LED。按照本发明的气体传感器1的所述第三实施方式尤其是适合于同时定量地测量或探测气体混合物中的两种不同的气体G。被布置在辐射源2或探测器4前面的带通滤波器对于分别其它的辐射源2的光波来说作为镜来起作用。这提高了气体传感器1的效率。

附图标记列表

1 气体传感器

2 辐射源

2a 第一辐射源

2b 第二辐射源

3 样品池

4 探测器

4a 第一探测器

4b 第二探测器

5 发射体

5a 第一发射体

5b 第二发射体

5c 第三发射体

5d 第四发射体

6 平面镜

7 凹面镜

8 光轴

9 第一孔洞

10 第二孔洞

G 气体

L 光波。

Claims (7)

1.一种用于定量地测量一种或多种气体的浓度的光学气体传感器（1），所述光学气体传感器（1）具有：用于发射光波（L）的辐射源（2）、用于容纳要测量的气体（G）的样品池（3）以及用于测量光强度的探测器（4），其特征在于，所述辐射源（2）具有用于发射光波（L）的至少一个被构造为LED的第一发射体（5a）以及被构造为LED的第二发射体（5b），

- 其中所述第一发射体（5a）被构造为发射作为主信号的第一波长的光波（L），

- 其中在所述第一发射体（5a）之前布置光学滤波器，

- 其中所述第二发射体（5b）被构造为发射与所述第一波长不同的第二波长的光波（L）作为用于检验所述主信号的测量结果的参考信号，

- 其中在所述第二发射体（5b）之前布置光学滤波器，其中所述第一波长和所述第二波长的光波（L）是能够彼此分开地发射的，其中所述发射体（5a，5b）分别被构造为发射如下光谱，所述光谱的半峰全宽最大为质心波长的50%，其中所述探测器（4）被构造为定量地检测所发射的所述第一波长和所述第二波长的光波（L）的强度，并且其中所述样品池（3）具有镜装置，所述镜装置具有平面镜（6）和与所述平面镜（6）对置地布置的凹面镜（7），其中所述凹面镜（7）的光轴（8）垂直于所述平面镜（6）地来布置，并且所述辐射源（2）和所述探测器（4）被布置在所述平面镜（6）处，

- 其中所述第一发射体（5a）和所述第二发射体（5b）被布置在所述平面镜（6）中所布置的第一孔洞（9）中，

- 其中所述探测器（4）被布置在所述平面镜（6）中所布置的第二孔洞（10）中。

2.根据权利要求1所述的光学气体传感器（1），

其特征在于，所述辐射源（2）被构造为发射如下离散光波谱：所述离散光波谱的半峰全宽最大为质心波长的20%。

3.根据前述权利要求之一所述的光学气体传感器（1），

其特征在于，辐射源（2）和探测器（4）被布置在所述样品池（3）处，使得由所述辐射源（2）发射的光波（L）直接射到所述探测器上。

4.根据前述权利要求之一所述的光学气体传感器（1），

其特征在于，所述辐射源（2）与所述探测器（4）间隔开地被布置在所述样品池（3）处，其中所述第一发射体（5a）和所述第二发射体（5b）分别被构造为发射具有被引导的光路的光波（L）。

5.根据前述权利要求之一所述的光学气体传感器（1），

其特征在于，在所述样品池（3）处布置有恰好一个探测器（4）。

6.根据权利要求1至4之一所述的光学气体传感器（1），

其特征在于，在所述样品池（3）处彼此间隔开地布置有至少两个辐射源（2）。

7.根据权利要求6所述的光学气体传感器（1），

其特征在于，所述样品池（3）具有至少两个探测器（4），其中所述探测器（4）被构造用于测量不同的辐射源（2）的光强度或者所述两个辐射源（2）的不同的发射体（5）的光强度。

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