DE10200908A1

DE10200908A1 - Infrarotgassensor

Info

Publication number: DE10200908A1
Application number: DE10200908A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Wiegleb
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-01-12
Filing date: 2002-01-12
Publication date: 2003-07-31

Abstract

Erfindungsgegenstand ist ein Infrarotgassensor (14) mit einer abbildenden Optik (6, 7), die einen extrem kompakten Aufbau ermöglicht, so daß die Sensormontage direkt auf einer Leiterkarte (15) erfolgen kann, auf der sich dann auch die erforderliche Signalverarbeitung befindet. Diese fertigungstechnische Verbesserung ergibt sich aus einer 90 DEG Umlenkung der Infrarotstrahlung (8), so daß die Infrarotstrahlung (8) quasi parallel zu Leiterkarte (15) verläuft, um dann über eine weitere Abbildungsoptik (6, 7) auf den Infrarotdetektor (2) fokussiert zu werden. Infrarotstrahler (1) und Infrarotdetektor (2) werden dabei wie alle anderen elektronischen Bauteile auf der Leiterkarte (15) angeordnet.

Description

Infrarotgassensoren eignen sich hervorragend für Anwendungen in der Umwelt- und Prozessmesstechnik und werden in diesem Anwendungsfeld seit vielen Jahrzehnten sehr erfolgreich eingesetzt.

Im Bereich der Massenanwendung (Gebäudesystemtechnik und Automobilindustrie) konnte diese Technologie bisher nicht eingesetzt werden, da die Fertigungstechnik sehr aufwendig ist und somit die Herstellungskosten zu hoch waren. Insbesondere für die Erdgaskontrolle (Explosionsschutz) und die bedarfsgesteuerte Raumlüftung über den Kohlendioxidgehalt in der Raumluft ergeben sich in der Gebäudesystemtechnik aber interessante und vielversprechende Anwendungen. Im Bereich der Fahrzeugtechnik sind dies die Kohlendioxidüberwachung von schadhaften Klimaanlagen und der Innenluftqualität zur Steuerung der Frischluftzufuhr

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen kompakten, aus wenigen Komponenten aufgebauten Infrarotgassensor vorzuschlagen, der für eine Leiterkartenmontage geeignet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung nach Anspruch 1 an. Ein wesentlicher Vorteil des Infrarotgassensors nach Anspruch 1 besteht darin, das ein Großteil der Infrarotstrahlung (8) über eine abbildende Optik (6) parallel zur Leiterkarte (15) um 90° umgelenkt wird, um die Infrarotstrahlung (8) dann über eine zweite abbildende Optik (7) auf den Detektor (2) zu konzentrieren. Ein solcher Übertragungsweg ist sehr effektiv, so daß die Strahlungsintensitäten am Ort des Detektors (2) auch sehr hoch sind, so das die Nachweisgrenze und das Stabilitätsverhalten des Gassensors ebenfalls sehr gut sind. Die elektrische Kontaktierung erfolgt dabei fertigungstechnisch wie bei allen anderen elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte über eine automatische Bestückung. Die Halterung (9) und die Kappe (10) werden nach der Fertigstellung der Leiterkarte per Hand montiert, ohne das eine zusätzliche optische Justierung erfolgen muss. Das wellenlängenselektivierende Element (3) besteht aus einem Interferenzfilter bei 3,4 µm für die Erdgaskontrolle und 4,3 µm für die Kohlendioxidüberwachung und ist integraler Bestandteil des Infrarotdetektors (2). Sämtliche Oberflächen, die mit der Infrarotstrahlung in Berührung kommen könnten, lassen sich durch eine Reflexionsschicht beschichten, so daß auch Streustrahlung (16) zu dem Detektor (2) gelangen kann. Die Streustrahlung, die sich aus dem nicht idealen Abbildungsverhalten einer sphärischen Oberfläche ergibt, kann durch eine parabolische Oberfläche reduziert werden. Der Gasaustausch zwischen der Umgebungsluft und dem Sensorinnenraum erfolgt über Diffusion durch Öffnungen (13), die außen an der Kappe (10) integriert sind.
Die mittlere Strecke zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor auf der die selektive Absorption stattfindet ist L = S + 2R. Nach dem Lambert Beerschen Gesetz ergibt sich dabei folgende Signaländerung:

I(c) = I₀e^- ^α ^cL
I(c) = Intensität bei einer Gaskonzentration c
I₀ = Intensität bei c = 0
c = Gaskonzentration
α = Absorptionskoeffizient
L = Abstand (optischer Weg in der Messküvette) zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfangsdetektor
Für unterschiedliche Konzentrationsbereiche muss der optische Weg L durch Änderung der Strecke S angepasst werden, um vergleichbare Sensorkennlinien zu erhalten.

Claims

1. Infrarotgassensor mit mindestens einem Infrarotstrahler (1) und mindestens einem Infrarotdetektor (2) und mindestens einem wellenlängenselektivierenden Element (3), wobei die optischen Achsen des Infrarotstrahlers (1) und des Infrarotdetektors (2) in die gleiche Richtung zeigen und die optischen Achsen (4, 5) um den Betrag (S + R) versetzt zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotstrahlung (8) über eine abbildende Optik (6) um 90° als paralleles Lichtbündel in Richtung der optischen Achse (5) des Infrarotdetektors (2) umgelenkt wird und nach der Strecke S wiederum um 90° über eine weitere abbildende Optik (7) auf den Infrarotdetektor (2) fokussiert wird.

2. Infrarotgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abbildende Optik (6) aus einer sphärischen Kugelfläche besteht, in dessen Brennpunkt (0,5R) sich der Infrarotstrahler (1) befindet.

3. Infrarotgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abbildende Optik (7) aus einer sphärischen Kugelfläche besteht, in dessen Brennpunkt (0,5R) sich der Infrarotdetektor (2) befindet.

4. Infrarotgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abbildende Optik (6) aus einer parabolischen Fläche besteht, in dessen Brennpunkt sich der Infrarotstrahler (1) befindet.

5. Infrarotgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abbildende Optik (7) aus einer parabolischen Fläche besteht, in dessen Brennpunkt sich der Infrarotdetektor (2) befindet.

6. Infrarotgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (9) und die Kappe (10) aus Kunststoff bestehen.

7. Infrarotgassensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet das alle strahlungsberührenden Oberflächen (11, 12) und die abbildenden Optiken (6, 7) mit einer infrarotreflektieren Schicht überzogen sind.

8. Infrarotgassensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kappe (10) in Richtung der optischen Achse Öffnungen (13) zum Gasaustausch vorgehen sind.

9. Infrarotgassensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der gesamte Sensoraufbau (14) auf einer Leiterkarte (15) befindet.

10. Infrarotgassensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik für den Infrarotgassensor auf der Leiterkarte integriert ist.

11. Infrarotgassensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das wellenlängenselektivierende Element (3) ein Transmissionsmaximum bei 3,4 µm zur Messung von Kohlenwasserstoffen aufweist.

12. Infrarotgassensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das wellenlängenselektivierende Element (3) ein Transmissionsmaximum bei 4,3 µm zur Messung von Kohlendioxid aufweist.