DE10200797A1

DE10200797A1 - Infrared absorption gas sensor for determining concentration of infrared active gases in mixtures, comprises radiation source, detector and mirror

Info

Publication number: DE10200797A1
Application number: DE10200797A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Wiegleb
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2003-07-24

Abstract

An infrared (IR) absorption gas sensor for determining the concentration of IR active gases in mixtures comprises a radiation source (1) and a detector (2) which are displaced with respect to the optical axis. The mirror used for the image has a spherical surface, and the mirror comprises plastic with an IR reflective coating.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor der nach dem bekannten Prinzip der selektiven Absorption im infraroten Spektralbereich von 2-12 µm arbeitet. Die von einer Strahlungsquelle (1) ausgehende breitbandige Infrarotstrahlung wird auf dem Weg zum Empfangsdetektor (2) durch die anwesenden Gase (z. B. Kohlendioxid CO₂ oder Methan CH₄) in bestimmten Spektralbereichen absorbiert. Die Absorptionsbande für Kohlendioxid liegt beispielsweise bei 4,3 µm während die Absorption durch Methan bei 3,4 µm am grössten ist. Die spektrale Selektion wird dann durch vorgeschaltete Interferenzfilter durchgeführt, die bei bestimmten Ausführungen von Empfangsdetektoren integraler Bestandteil sind. Bei breitbandigen Detektoren muss dass Interferenzfilter zusätzlich in der Strahlengang integriert werden. Die Auswertung der Strahlungsintensitäten erfolgt dabei nach dem sogenannten Lambert-Beerschen-Gesetz.

I(c) = I₀e^- ^α ^cL

I(c) = Intensität bei einer Gaskonzentration c
I₀ = Intensität bei c = 0
c = Gaskonzentration
α = Absorptionskoeffizient
L = Anstand (optischer Weg) zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfangsdetektor The invention relates to a gas sensor which works according to the known principle of selective absorption in the infrared spectral range of 2-12 microns. The broadband infrared radiation emanating from a radiation source ( 1 ) is absorbed in certain spectral ranges on the way to the reception detector ( 2 ) by the gases present (for example carbon dioxide CO ₂ or methane CH ₄ ). The absorption band for carbon dioxide is, for example, 4.3 µm, while the absorption by methane is greatest at 3.4 µm. The spectral selection is then carried out by upstream interference filters, which are an integral part of certain designs of reception detectors. In the case of broadband detectors, the interference filter must also be integrated in the beam path. The radiation intensities are evaluated according to the so-called Lambert-Beerschen law.

I (c) = I ₀ e ^- ^α ^cL

I (c) = intensity at a gas concentration c
I ₀ = intensity at c = 0
c = gas concentration
α = absorption coefficient
L = distance (optical path) between the radiation source and the reception detector

Für eine gute Nachweisempfindlichkeit (Signal/Rausch-Verhältniss) sollte die Strahlungsintensität I₀ und die Distanz L möglichst gross gewählt werden. Aufgrund der hohen Strahlungsdivergenz inkoheränter Strahlungsquellen (Glühstrahler) nimmt die Intensität mit steigender Distanz L aber drastisch ab. Um diese Verluste zu kompensieren muss man die Strahlerleistung erhöhen, so dass der elektrische Energieverbrauch zum Betrieb des Sensors ebenfalls drastisch ansteigt. Für viele Anwendungsfälle, bei denen eine reduzierte Leitungsaufnahme erforderlich ist, kann dieser Weg daher nicht beschritten werden. For good detection sensitivity (signal / noise ratio), the radiation intensity I ₀ and the distance L should be chosen as large as possible. Due to the high radiation divergence of incoherent radiation sources (glow emitters), the intensity decreases drastically with increasing distance L. In order to compensate for these losses, the radiator power must be increased so that the electrical energy consumption for operating the sensor also increases drastically. For many applications where a reduced cable consumption is required, this path cannot be taken.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen Gassensor zu entwickeln, der eine möglichst geringe elektrische Leistungsaufnahme hat und gleichzeitig eine ausreichende Distanz L zwischen der Strahlungsquelle (1) und dem Empfangsdetektor (2) aufweist, um einen möglichst grossen Messefekt [I₀-I(c)] zu generieren. Die mittlere Distanz L ergibt sich dabei aus den vorgegebenen geometrischen Grössen:

The object of the present invention is therefore to develop a gas sensor which has the lowest possible electrical power consumption and at the same time has a sufficient distance L between the radiation source ( 1 ) and the reception detector ( 2 ) in order to maximize the measurement defect [I ₀ -I (c)] to generate. The average distance L results from the given geometric sizes:

Die Lösung der erfindungsgemässen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. The achievement of the object according to the invention results from the characterizing ones Features of claim 1 in cooperation with the features of Preamble. Further advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.

Ein wesentlicher Vorteil des Gassensors nach Anspruch 1 besteht darin, dass nahezu 50% der Infrarotstrahlung (8) auf den Empfangsdetektor (2) fokussiert werden, und somit eine sehr grosses Intensität 10 generiert werden kann. In der nachfolgenden Verstärkereinheit kann somit der Verstärkungsgrad reduziert werden, um das Signal/Rauschverhältnis zu verbessern. Weiterhin kann auch ein Teil der Streustrahlung (9) auf den Empfangsdetektor (2) gelangen, wenn die Hülse (5) innenseitig mit einer reflektierenden Schicht (10) versehen ist. A major advantage of the gas sensor according to claim 1 is that almost 50% of the infrared radiation ( 8 ) is focused on the reception detector ( 2 ), and thus a very high intensity 10 can be generated. The degree of amplification can thus be reduced in the subsequent amplifier unit in order to improve the signal / noise ratio. Furthermore, part of the scattered radiation ( 9 ) can reach the reception detector ( 2 ) if the sleeve ( 5 ) is provided on the inside with a reflective layer ( 10 ).

Je nach Anwendungsfall sind die zu analysierenden Gaskonzentrationen sehr unterschiedlich. Um eine leichte Adaption an die jeweiligen Messaufgaben zu ermöglichen kann zwischen der Halterung (6) für die Strahlungsquelle (1) und dem Empfangsdetektor (2) eine Hülse (5) integriert werden, die zu einer Verlängerung der Distanz L führt. Dies ist insbesondere für den Nachweis kleiner Gaskonzentrationen c erforderlich. Der Krümmungsradius R muss dann allerdings entsprechend angepasst werden. Depending on the application, the gas concentrations to be analyzed are very different. In order to enable easy adaptation to the respective measuring tasks, a sleeve ( 5 ) can be integrated between the holder ( 6 ) for the radiation source ( 1 ) and the reception detector ( 2 ), which leads to an extension of the distance L. This is particularly necessary for the detection of small gas concentrations c. The radius of curvature R must then be adjusted accordingly.

Der gesamte Sensoraufbau bestehend aus Halterung (6), Hülse (5) und abbildenden Spiegel (7) kann aus Kunststoff hergestellt werden, und ist somit für eine kostengünstige Massenfertigung (z. B. Spritzgussverfahren) geeignet. Die Beschichtung der Innenseiten kann dabei mit unterschiedlichen Materialien (Gold oder Aluminium) und mit unterschiedlichen Verfahren (Aufdampfen, Sputtern oder galvanisch) erfolgen. The entire sensor structure consisting of holder ( 6 ), sleeve ( 5 ) and imaging mirror ( 7 ) can be made of plastic and is therefore suitable for inexpensive mass production (e.g. injection molding). The inside can be coated with different materials (gold or aluminum) and with different methods (vapor deposition, sputtering or galvanic).

Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich dabei aus der geringen thermischen Leitfähigkeit von Kunststoff, der eine Energieübertragung von der beheizten Strahlungsquelle (1) zu dem temperaturempfindlichen Empfangsdetektor (2) entlang der Strecke 2s unterdrückt. Der Temperaturfehler des Gassensors ist somit auch reduziert. Durch die Umlenkung mit Hilfe des abbildenden Spiegels (7) sind die Ausmasse des gesamten Gassensors ca. um den Faktor 2 kleiner, so dass ein sehr kompakter Aufbau realisiert werden kann. Da sich alle elektrischen Anschlüsse auf der Seite der Halterung (6) befinden, kann der Gassensor auch direkt auf einer Leiterkarte angeordnet werden, was einen zusätzlichen fertigungstechnischen Vorteil darstellt. An additional advantage results from the low thermal conductivity of plastic, which suppresses energy transmission from the heated radiation source ( 1 ) to the temperature-sensitive reception detector ( 2 ) along the route for 2 s. The temperature error of the gas sensor is also reduced. Due to the deflection with the aid of the imaging mirror ( 7 ), the dimensions of the entire gas sensor are approximately two times smaller, so that a very compact construction can be achieved. Since all electrical connections are on the side of the holder ( 6 ), the gas sensor can also be arranged directly on a printed circuit board, which represents an additional manufacturing advantage.

Claims

1. Gassensor nach dem Prinzip der Infrarotabsorption zur Erfassung und Konzentrationsmessung von infrarotaktiven Gasen in Gemischen, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1) und der Empfangsdetektor (2) um den Betrag 2s verschoben zur optischen Achse (3) eines abbildenden Spiegel (7) angeordnet sind, der um den Betrag x mit einer Distanzhülse (5) von der Halterung (6) angeordnet ist und der Empfangsdetektor (2) mindestens ein Messsignal liefert. 1. Gas sensor based on the principle of infrared absorption for the detection and concentration measurement of infrared-active gases in mixtures, characterized in that the radiation source ( 1 ) and the reception detector ( 2 ) shifted by the amount of 2 s to the optical axis ( 3 ) of an imaging mirror ( 7 ) are arranged, which is arranged by the amount x with a spacer sleeve ( 5 ) from the holder ( 6 ) and the reception detector ( 2 ) delivers at least one measurement signal.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der abbildende Spiegel (7) die Form einer sphärischen Fläche (Kugelabschnitt/Kappe) mit dem Krümmungsradius R = x + y hat. 2. Gas sensor according to claim 1, characterized in that the imaging mirror ( 7 ) has the shape of a spherical surface (spherical section / cap) with the radius of curvature R = x + y.

3. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der abbildende Spiegel (7) einen Krümmungsradius R = ∞ hat. 3. Gas sensor according to claim 1, characterized in that the imaging mirror ( 7 ) has a radius of curvature R = ∞.

4. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass x = 0 ist. 4. Gas sensor according to claim 1, characterized in that x = 0.

5. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das der abbildende Spiegel (7) eine aspärische Form aufweist. 5. Gas sensor according to claim 1, characterized in that the imaging mirror ( 7 ) has an aspherical shape.

6. Gassensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Empfangsdetektor (2) zusätzlich ein Referenzsignal zur Kompensation von Fehlereinflüssen liefert. 6. Gas sensor according to claim 1, characterized in that the reception detector ( 2 ) additionally supplies a reference signal to compensate for the effects of errors.

7. Gassensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der abbildende Spiegel (7) aus Kunststoff besteht, der mit einer IR-reflektierenden dünnen Schicht (4) beschichtet ist. 7. Gas sensor according to claim 1, characterized in that the imaging mirror ( 7 ) consists of plastic which is coated with an IR-reflecting thin layer ( 4 ).

8. Gassensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das die Halterung (6) ebenfalls aus Kunststoff besteht. 8. Gas sensor according to claim 1, characterized in that the holder ( 6 ) also consists of plastic.

9. Gassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (5) aus Kunststoff besteht, der mit einer IR-refelektierenden dünnen Schicht (10) beschichtet ist. 9. Gas sensor according to claim 2, characterized in that the sleeve ( 5 ) consists of plastic which is coated with an IR-reflecting thin layer ( 10 ).