DE102014016515A1

DE102014016515A1 - Optischer Gassensor

Info

Publication number: DE102014016515A1
Application number: DE102014016515.9A
Authority: DE
Inventors: Arne Tröllsch; Andre Pape
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2034-11-11
Also published as: WO2016074773A1; CN114910432A; CA2964020A1; CA2964020C; CN107148566A; DE102014016515B4; AU2015345502A1; US20170322149A1; AU2015345502B2; US10190974B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Gassensor (1) zum quantitativen Messen einer Konzentration eines oder mehrerer Gase, aufweisend eine Strahlungsquelle (2) zum Emittieren von Lichtwellen (L), eine Küvette (3) zur Aufnahme eines zu messenden Gases (G) und einen Detektor (4) zum Messen von Lichtintensitäten. Die Strahlungsquelle (2) weist mindestens einen Emitter (5) von Lichtwellen (L) auf und ist derart ausgebildet, Lichtwellen (L) von mindestens einer ersten Wellenlänge und einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge gleichzeitig sowie voneinander gesondert zu emittieren. Der Emitter (5) ist weiter ausgebildet, ein Spektrum zu emittieren, dessen volle Halbwertsbreite maximal 50% der Schwerpunktswellenlänge beträgt sowie Lichtwellen (L) mit einem geführten Strahlengang zu emittieren. Der Detektor (4) ist derart ausgebildet, eine Intensität der emittierten Lichtwellen (L) der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge quantitativ zu erfassen.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Gassensor zum quantitativen Messen einer Konzentration eines oder mehrerer Gase.
Optische Gassensoren ermöglichen sowohl eine qualitative Bestimmung des Vorhandenseins eines oder mehrerer Gase, als auch eine quantitative Bestimmung einer Konzentration eines oder mehrerer Gase. Derartige Gassensoren werden z. B. in Gasdetektionsvorrichtungen in Anlagen zur Förderung und Verarbeitung von brennbaren und/oder toxischen Gasen eingesetzt, um ungewollt austretende Gase zu detektieren.
STAND DER TECHNIK
Es sind optische Gassensoren bekannt, die einen Emitter, eine Küvette sowie einen Detektor aufweisen. Bei optischen Gassensoren ist der Emitter eine Lichtquelle, wie z. B. eine Glühlampe, die ein breites Spektrum an Lichtwellen, also Lichtwellen mit einer Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen, emittiert. Die Küvette ist vorzugsweise ein im Wesentlichen geschlossener Raum, in dem sich das zu messende Gas befindet. Die Küvette kann nach außen hin Öffnungen aufweisen, die einen Gasaustausch der Küvette mit einer Umgebung des Gassensors ermöglichen. Der Detektor ist ein Lichtsensor, mit dem vorzugsweise eine Intensität von Licht, das auf den Detektor trifft, messbar ist. Um bestimmte Wellenlängen des Lichts zu detektieren sind den entsprechenden Detektoren Bandpassfilter vorgeschaltet. Derartige Bandpassfilter können zum Durchlassen einer oder mehrerer Wellenlängen ausgebildet sein.
Im Betrieb wird das zu messende Gas bzw. Gasgemisch in die Küvette eingeleitet. Hierfür kann die Küvette eine oder mehrere Öffnungen aufweisen. Von der Lichtquelle emittierte Lichtwellen werden in Abhängigkeit der Konzentration der Bestandteile des Gasgemisches, sowie der Absorptionswellenlängen vom jeweiligen Gas mehr oder weniger stark absorbiert und treffen im Anschluss auf den Lichtsensor, der eine Intensität dieser Lichtwellen misst. Auf diese Weise ist ermittelbar, welche Wellenlängen wie stark von dem Gas absorbiert wurden. Wegen bekannter spezifischer Absorptionseigenschaften unterschiedlicher Gase ist aus diesem Ergebnis eine Zusammensetzung des Gasgemisches bestimmbar.
Aus der DE 202 02 694 A1 ist ein optischer Gassensor mit einer hohlzylinderförmigen Küvette zur Aufnahme des zu messenden Gases bekannt. An der Küvette sind in längsaxialer Richtung auf einer Seite ein Planspiegel und auf der anderen Seite ein Hohlspiegel angeordnet. Der Hohlspiegel weist mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme einer Glühlampe und eines Lichtwellendetektors auf. Von der Glühlampe emittierte Lichtwellen werden zunächst zwischen Planspiegel und Hohlspiegel mehrfach reflektiert, bis sie auf den Lichtwellendetektor treffen. Hierdurch wird eine optische Wegstrecke verlängert, auf dem diese Lichtwellen von dem zu messenden Gas bzw. Gasgemisch absorbiert werden können. Somit sind schwach absorbierende Gase besser messbar. Ein derartiger Gassensor hat insbesondere den Nachteil, dass eine Anordnung von Glühlampe und Lichtwellendetektoren an dem Hohlspiegel wegen der gekrümmten Oberfläche des Hohlspiegels nur mit großem Aufwand herstellbar ist. Des Weiteren hat eine Vielzahl der in optischen Gassensoren verwendeten Lichtquellen den Nachteil, ein relativ breites Lichtwellenspektrum zu emittieren. Somit werden nicht nur Lichtwellen mit Wellenlängen emittiert, die für die Messung der Gaskonzentration benötigt werden, sondern auch Lichtwellen mit Wellenlängen, die für die Messung der Gaskonzentration nicht von Bedeutung sind und zur Vermeidung von Messfehlern von einem Bandpassfilter herausgefiltert werden müssen. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des optischen Gassensors negativ beeinträchtigt. Insbesondere Glühlampen haben darüber hinaus den Nachteil, dass ein großer Anteil an elektrischer Energie in Wärme umgewandelt wird, die als Verlustwärme abgeführt werden muss. Dies führt zu einem übermäßigen Energieverbrauch des Gassensors und ist insbesondere für mobile Anwendungen von Nachteil, die über eine interne Stromquelle, wie z. B. eine Batterie, mit Strom versorgt werden. Durch den erhöhten Stromverbrauch wird die Lebensdauer der Batterie und somit die Betriebsdauer des mobilen Gassensors deutlich reduziert.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ausgehend von diesem Stand der Technik hat der Erfindung die Aufgabe zugrunde gelegen, einen optischen Gassensor bereitzustellen, der diese Nachteile zumindest teilweise nicht aufweist. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Gassensor bereitzustellen, mit dem insbesondere Konzentrationen schwach lichtwellenabsorbierender Gase quantitativ messbar sind und der einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
Voranstehende Aufgabe wird durch einen optischen Gassensor zum quantitativen Messen einer Konzentration eines oder mehrerer Gase mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Demnach wird die Aufgabe gelöst durch einen optischen Gassensor zum quantitativen Messen einer Konzentration eines oder mehrerer Gase, aufweisend eine Strahlungsquelle zum Emittieren von Lichtwellen, eine Küvette zur Aufnahme eines zu messenden Gases und einen Detektor zum Messen von Lichtintensitäten. Die Strahlungsquelle weist mindestens einen Emitter von Lichtwellen, wie z. B. eine LED, auf und ist derart ausgebildet, Lichtwellen von mindestens einer ersten Wellenlänge und einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge gleichzeitig sowie voneinander gesondert zu emittieren. Der Emitter ist vorzugsweise ausgebildet, ein Spektrum zu emittieren, dessen volle Halbwertsbreite maximal 50% der Schwerpunktswellenlänge beträgt. Vorzugsweise ist der Emitter weiter ausgebildet, ein diskretes Spektrum zu emittieren, dessen volle Halbwertsbreite maximal 20% der Schwerpunktswellenlänge beträgt. Der Detektor ist derart ausgebildet, eine Intensität der emittierten Lichtwellen der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge quantitativ zu erfassen. Der Emitter ist vorzugsweise ausgebildet, mindestens 80% der vom Emitter verbrauchten elektrischen Energie in Lichtwellen umzuwandeln.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass durch die Verwendung eines derartigen Emitters der Wirkungsgrad des optischen Gassensors erheblich verbessert werden kann. Hierdurch wird bei der Erzeugung von Lichtwellen weniger Wärme produziert und somit weniger elektrische Energie verbraucht. Bei der Umwandlung elektrischer Energie in Lichtwellen durch eine LED wird weniger Wärme generiert als z. B. durch eine Glühlampe, wie sie in vielen herkömmlichen Gassensoren verwendet werden. Somit weist der Gassensor im Betrieb einen geringeren Stromverbrauch auf. Dies ist insbesondere für mobile Anwendungen von Vorteil, da hierdurch ein Ladezyklus eines Akkus bzw. eine Lebensdauer einer Batterie der mobilen Anwendung deutlich verlängerbar ist. Durch das gesonderte Emittieren von Lichtwellen unterschiedlicher Wellenlänge sind z. B. ein Hauptsignal, sowie ein Referenzsignal erzeugbar, wobei das Referenzsignal zur Überprüfung des Messergebnisses des Hauptsignals verwendbar ist. Beispielhaft sei hier eine Ausführung zur quantitativen Bestimmung von Methan angeführt. Die Messwellenlänge des Messsignals ist dabei mit ca. 3,2 μm gewählt, geeignete Referenzwellenlängen für das Referenzsignal ergeben sich bei 3,1 μm und/oder bei 3,9 μm. Je mehr Lichtwellen unterschiedlicher Wellenlängen vorzugsweise gesondert erzeugbar sind, desto mehr Gase lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Gassensor quantitativ bestimmen. Daraus ergibt sich, dass der Emitter nur ein relativ schmalbandiges Lichtspektrum abstrahlt. Die Lichtwellen sind wegen der Absorptionseigenschaften von Gasen vorzugsweise im infraroten Bereich. Als LED ausgebildete Emitter haben den Vorteil, dass mit ihnen relativ kurze Lichtpulse emittierbar sind, ohne dass die LEDs nach dem Lichtpuls wie eine Glühlampe nachleuchten. Die einzelnen LEDs können somit im Wesentlichen unmittelbar nacheinander Lichtpulse emittieren, so dass sich z. B. Messsignal und Referenzsignal durch ein im Wesentlichen konstantes in der Küvette angeordnetes Gasgemisch erstrecken. Hierdurch werden Messfehler vermieden bzw. reduziert. Des Weiteren haben LEDs den Vorteil, dass sie zum Emittieren eines relativ schmalbandigen Lichtspektrums geeignet sind und einen besonders guten Wirkungsgrad bei der Umwandlung elektrischer Energie in Lichtwellen aufweisen. Die besonderen optischen Eigenschaften von LED's in der Ausbildung als Emitter sind beispielsweise aus dem Bereich der optischen Signalübertragung mit Lichtwellenleitern bekannt. Insbesondere die Schmalbandigkeit des emittierten Spektrums, bedingt durch Halbwertsbreite und Schwerpunktswellenlänge, werden beispielsweise in der DE 40 11 462 C2 dargelegt. Der Detektor ist z. B. eine Fotodiode, die beim Auftreffen von Lichtwellen einen Strom erzeugt, dessen Stromstärke von der Intensität der Lichtwellen abhängig ist. Somit sind der Absorptionsgrad der Lichtwellen einer bestimmten Wellenlänge durch das Gas, sowie die Art des Gases bzw. Zusammensetzung des Gasgemisches ermittelbar. Vorzugsweise ist mindestens ein Detektor ausgebildet, eine Mehrzahl unterschiedlicher, vorzugsweise disjunkter Wellenlängenbereiche zu erfassen. Somit sind mit einer Küvette und einem Detektor mindestens zwei unterschiedliche Gase auf einfache und kostengünstige Weise detektierbar. Ein entsprechender Bandpassfilter kann z. B. zur Vermeidung von Störeinflüssen vor dem Detektor angeordnet sein. Je nach Ausgestaltung des Gassensors kann der Bandpassfilter in Abhängigkeit der Strahlungsquelle ausgebildet sein. Bei einer Strahlungsquelle, mit der z. B. Lichtwellen in vier unterschiedlichen Wellenlängen emittierbar sind, ist demnach vor dem Detektor vorzugsweise ein Bandpassfilter angeordnet, der für diese vier Wellenlängen durchlässig ist. Bandpassfilter haben den weiteren Vorteil, dass Lichtwellen, die vom Bandpassfilter nicht durchgelassen werden, von diesem reflektiert werden können. Somit kann es vorteilhaft sein, an einem Emitter bzw. Strahlungsquelle einen Bandpassfilter anzuordnen, so dass bei mehreren Strahlungsquellen mit davor angeordneten Bandpassfiltern weniger Reflexionsfläche eines Spiegels verloren geht als ohne Bandpassfilter. Die Küvette ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass keine Störeinflüsse, wie z. B. Lichtwellen aus einer Umgebung des Gassensors in die Küvette eindringen bzw. auf den Detektor treffen können. Hierdurch wird eine erforderliche Genauigkeit der Messergebnisse des Gassensors gewährleistet. Ferner ist ein Luftaustausch der Küvette mit der Umgebung des Gassensors vorzugsweise regelbar oder relativ gering, so dass während eines Messzyklus, der mindestens das einmalige Emittieren eines Messsignals, sowie eines Referenzsignals aufweist, das Gasgemisch innerhalb der Küvette im Wesentlichen konstant bleibt. Hierdurch werden Messfehler ebenfalls vermieden bzw. reduziert. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Strahlungsquelle mindestens einen ersten Emitter und einen zweiten Emitter aufweist, wobei der erste Emitter ausgebildet ist, Lichtwellen der ersten Wellenlänge und der zweite Emitter ausgebildet ist, Lichtwellen der zweiten Wellenlänge zu emittieren. Der Detektor und/oder mindestens ein Emitter weisen mindestens einen optischen Filter, wie z. B. einen Bandpassfilter, auf. Vorzugsweise sind die Emitter als LED ausgebildet. Eine derartige Strahlungsquelle ist leicht herstellbar und erfordert einen relativ kleinen Bauraum. Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Strahlungsquelle ausgebildet ist, ein diskretes Lichtwellenspektrum zu emittieren. Somit ist die Strahlungsquelle ausgebildet, nur Lichtwellen einer konkreten Wellenlänge bzw. eines relativ schmalen Wellenlängenbereichs zu erzeugen. Es kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass vor der Strahlungsquelle ein Bandpassfilter angeordnet wird, der den von der Strahlungsquelle erzeugten Wellenlängenbereich weiter verkleinert. Besonders bevorzugt sind von der Strahlungsquelle eine Mehrzahl von Lichtwellen mit Wellenlängen erzeugbar, die innerhalb des IR-Spektrums voneinander beabstandet sind. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Küvette eine Spiegelanordnung mit einem Planspiegel und einem dem Planspiegel gegenüberliegend angeordneten Hohlspiegel aufweist, wobei eine optische Achse des Hohlspiegels im Wesentlichen senkrecht zum Planspiegel angeordnet ist. Ein Abstand zwischen Hohlspiegel und Planspiegel entspricht vorzugsweise einem ganzzahligen Bruchteil des Krümmungsradius des Hohlspiegels. Ein Lichtstrahl passiert die Küvette zwischen den Spiegeln mehrmals, z. B. viermal oder sechsmal, bevor er auf den Lichtsensor trifft. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass auch schwach absorbierende Messgase bei relativ kompakter Baugröße des Gassensors messbar sind. Vorzugsweise ist ein Krümmungsradius des Hohlspiegels veränderbar bzw. ist der Hohlspiegel durch Hohlspiegel mit unterschiedlichen Krümmungsradien austauschbar. Hierdurch kann der Strahlengang der Lichtwellen innerhalb des Gassensors variabel gestaltet werden, so dass die Lichtwellen je nach Einstellung des Krümmungsradius des Hohlspiegels verschieden oft zwischen Hohlspiegel und Planspiegel reflektiert werden, bis sie auf den Detektor treffen. Dies hat den Vorteil, dass der Gassensor sowohl für Messgase mit schwacher, als auch mit starker Lichtwellenabsorption verwendbar ist. Alternativ kann die Spiegelanordnung zwei im Wesentlichen einander zugewandt angeordnete Planspiegel aufweisen, wobei z. B. über ein Anstellen der Strahlungsquelle oder mindestens eines Spiegels eine entsprechende Reflexion des Lichtstrahls erzielbar ist. Diese Variante ist besonders einfach, sowie kostengünstig herstellbar. Es ist bevorzugt, dass die Einfallswinkel zur Oberflächennormale des Spiegels möglichst klein sind, d. h. dass die Lichtwellen nahezu senkrecht auf die Spiegel treffen. Hierdurch wird der Einfluss von Störfaktoren, wie z. B. Feuchtigkeit auf den Spiegeloberflächen, die ein Absorbieren der Lichtwellen bewirkt, reduziert. Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Strahlungsquelle und/oder der Detektor an dem Planspiegel angeordnet sind. Somit sind Strahlungsquelle und Detektor in einer derartigen Anordnung leicht vom Inneren der Küvette isolierbar, z. B. durch eine lichtdurchlässige Scheibe oder einen Bandpassfilter, so dass sie keinen direkten Kontakt zum Messgas haben. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn in der Küvette angeordnete Fluide die Strahlungsquelle oder den Detektor potenziell beschädigen können. Überdies hat eine Anordnung von Strahlungsquelle und Detektor auf einer Ebene den Vorteil, dass sie auf einer gemeinsamen Platine anordenbar sind. Eine derartige Anordnung ist somit besonders einfach und kostengünstig herstellbar. Weiter bevorzugt entspricht ein Abstand der Strahlungsquelle zu einem Schnittpunkt der optischen Achse mit dem Planspiegel einem Abstand eines Detektors zu diesem Schnittpunkt. Ein derartiger Planspiegel ist wegen seiner Symmetrie besonders leicht montierbar. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gassensors kann vorgesehen sein, dass eine Strahlungsquelle und ein Detektor derart an der Küvette angeordnet sind, dass von der Strahlungsquelle emittierte Lichtwellen direkt auf den Detektor treffen. In einer hierfür vorteilhaften Anordnung sind Strahlungsquelle und Detektor nicht an demselben Spiegel angeordnet, so dass die Lichtwellen ohne reflektiert zu werden auf den Detektor treffen. Dies hat den Vorteil, dass besonders stark absorbierende Gase ermittelbar sind. Vorzugsweise weist ein derartiger Gassensor mindestens zwei voneinander beabstandete Strahlungsquellen auf, wobei mindestens eine Strahlungsquelle derart an der Küvette angeordnet ist, dass von der Strahlungsquelle emittierte Lichtwellen nur über die Spiegelanordnung auf den Detektor treffen. Vorzugsweise ist der Gassensor derart ausgebildet, dass die Strahlungsquelle vom Detektor beabstandet an der Küvette angeordnet ist.
Der Emitter ist ausgebildet, Lichtwellen mit einem geführten Strahlengang zu emittieren. Dabei werden Planspiegel und Hohlspiegel im Sinne der Erfindung als Bestandteile der Küvette betrachtet. Eine derartige Anordnung ist besonders vorteilhaft für Gassensoren geeignet, die zum Messen von Gasen bestimmt sind, die Lichtwellen nur schwach absorbieren. Die Lichtwellen werden als geführter Strahlengang emittiert, der im Wesentlichen keine diffuse Strahlung aufweist. Dies hat den Vorteil, dass das emittierte Licht besonders effizient zur Detektion von Gasen verwendet wird. Darüber hinaus ist dies insbesondere für Gassensoren vorteilhaft, die zur Detektion von Gasen geeignet sind, die eine schwache Lichtabsorption aufweisen, da hierdurch eine besonders kompakte Bauweise des Gassensors ermöglicht wird. Es ist vorteilhaft, wenn an der Küvette genau ein Detektor angeordnet ist. Der Detektor ist dabei ausgebildet, im Wesentlichen nur von der Strahlungsquelle emittierte Lichtwellen quantitativ zu erfassen. Hierfür kann der Detektor z. B. einen entsprechenden Bandpassfilter aufweisen. Ein derartiger Sensor ist besonders für Anwendungen geeignet, die eine große Präzision erfordern. Alternativ kann der Detektor ausgebildet sein, ein breites Spektrum von Lichtwellen unterschiedlicher Wellenlängen quantitativ zu erfassen, wobei von der Strahlungsquelle emittierte Lichtwellen Teil dieses Spektrums sind. Ein derartiger Sensor ist besonders kostengünstig herstellbar. Die Verwendung nur eines Detektors hat den Vorteil, dass Kosten für weitere Detektoren eingespart werden können. Des Weiteren weist die Küvette bei nur einem Detektor und gleicher Baugröße eine größere Reflexionsfläche der Spiegel auf, da nur noch eine Stelle eines Spiegels einen Detektor aufweist. Hierdurch kann insbesondere die Genauigkeit bei der Messung von Gasen, die nur schwach Lichtwellen absorbieren, verbessert werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind an der Küvette mindestens zwei Strahlungsquellen voneinander beabstandet angeordnet. Dies hat z. B. den Vorteil, dass die einzelnen Strahlungsquellen einen weniger komplexen Aufbau aufweisen können. Des Weiteren sind defekte Strahlungsquellen separat voneinander austauschbar. Hierdurch können Reparatur- bzw. Austauschkosten reduziert werden. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind an der Küvette vier Strahlungsquellen angeordnet.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Küvette zwei Detektoren aufweist, wobei die Detektoren zum Messen von Lichtintensitäten unterschiedlicher Strahlenquellen bzw. unterschiedlicher Emitter, wie z. B. unterschiedlicher LEDs, der beiden Strahlenquellen ausgebildet sind. Dabei sind die Detektoren vorzugsweise derart angeordnet, dass von jedem Detektor nur Lichtwellen einer Strahlenquelle erfassbar sind. Alternativ oder zusätzlich können die Strahlenquellen unterschiedlich geschaltet oder moduliert werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass mehrere in der Küvette angeordnete Messgase gleichzeitig quantitativ bestimmbar sind. Besonders bevorzugt weist der Gassensor mindestens einen Doppelbandpassfilter auf, der vorzugsweise an einer Strahlenquelle angeordnet ist. Weiter bevorzugt weist der Gassensor mindestens einen Dreifachbandpassfilter auf, der vorzugsweise an einer Strahlenquelle angeordnet ist. Hierdurch ist ein von der jeweiligen Strahlenquelle emittiertes Spektrum von Lichtwellen in deutlich voneinander getrennte Wellenlängen bzw. Wellenlängenspektren aufteilbar.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich, als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen jeweils schematisch:
1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors;
2 eine Draufsicht auf einen Planspiegel des erfindungsgemäßen Gassensors aus 1;
3 eine Draufsicht auf einen Planspiegel einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors; und
4 eine Draufsicht auf einen Planspiegel einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors.
Die in 1 abgebildete erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Gassensors 1 weist eine im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildete Küvette 3 auf, in der ein zu messendes Gas G bzw. Gasgemisch angeordnet ist. Die Küvette 3 weist mindestens eine in dieser Ansicht nicht erkennbare Öffnung zum Austausch des in der Küvette 3 angeordneten Gases G mit Gas G aus der Umgebung des Gassensors 1. An einer Stirnseite der Küvette 3 ist ein Planspiegel 6 und an einer anderen Stirnseite ein Hohlspiegel 7 angeordnet. Der Planspiegel weist eine Strahlungsquelle 2 auf, die zur Emission von Lichtwellen L zweier verschiedener Wellenlängen innerhalb des IR-Spektrums ausgebildet und in Richtung Hohlspiegel 7 ausgerichtet ist. Die Strahlungsquelle 2 weist einen als LED ausgebildeten Emitter 5 auf und ist derart ausgebildet, dass die Lichtwellen L unterschiedlicher Wellenlängen separat voneinander emittierbar sind. Vor dem Emitter 5 ist optional ein optischer Filter, wie z. B. ein Bandpassfilter, Doppelbandpassfilter oder Triplebandpassfilter angeordnet. Von der Lichtquelle 2 beabstandet ist ein Detektor 4 an dem Planspiegel 6 angeordnet und in Richtung des Hohlspiegels 7 ausgerichtet. Der Detektor 4 ist zum Messen der Intensität von Lichtwellen ausgebildet. Der Hohlspiegel 7 weist eine optische Achse 8 auf, die im Wesentlichen senkrecht zum Planspiegel 6 angeordnet ist. Der Abstand von Hohlspiegel 7 zum Emitter 5 beträgt in dieser ersten Ausführungsform etwa die Hälfte des Krümmungsradius des Hohlspiegels 7. Bei Verwendung eines vor dem Emitter 5 angeordneten optischen Filters ist der Abstand etwas größer als die Hälfte des Krümmungsradius des Hohlspiegels 7. In dieser Darstellung sind zwei unterschiedliche von der Strahlungsquelle 2 emittierte Lichtstrahlen L abgebildet, wobei ein erster Lichtstrahl L durch eine durchgezogene Linie und ein zweiter Lichtstrahl L durch eine gestrichelte Linie schematisch angedeutet sind. Die emittierten Lichtstrahlen L werden jeweils von dem Hohlspiegel 7 auf den Planspiegel 6 und wieder auf den Hohlspiegel 7 reflektiert, bis sie auf den Detektor 4 treffen. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn das zu messende Gas G Lichtwellen L nur schwach absorbiert und wenn der Gassensor 1 eine möglichst kompakte Baugröße aufweisen muss.
Die 2 zeigt den Planspiegel 6 der ersten Ausführungsform des Gassensors 1 in einer Draufsicht. Der Planspiegel 6 weist ein erstes Loch 9, in dem eine Strahlungsquelle 2 mit einem ersten Emitter 5a sowie einem zweiten Emitter 5b angeordnet ist, und ein zweites Loch 10, in dem der Detektor 4 angeordnet ist, auf. Diese erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors 1 ist insbesondere zum quantitativen Messen der Gaskonzentration bzw. zum Detektieren eines einzigen Gases G geeignet. Dafür sind von dem ersten Emitter 5a und dem zweiten Emitter 5b abwechselnd Lichtwellen L unterschiedlicher Wellenlängen emittierbar und/oder mit unterschiedlichen Frequenzen modulierbar. Der Detektor 4 ermittelt die Intensität dieser teilweise absorbierten Lichtwellen L. Dabei sind die von dem zweiten Emitter 5b emittierten Lichtwellen als Referenzsignal verwendbar. Der erste Emitter 5a und der zweite Emitter 5b sind in dieser Ausführungsform als LED ausgebildet.
In 3 ist ein Planspiegel 6 einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors 1 in einer Draufsicht abgebildet. Der Planspiegel 6 weist ein erstes Loch 9, in dem eine Strahlungsquelle 2 mit einem ersten Emitter 5a, einem zweiten Emitter 5b sowie einem dritten Emitter 5c angeordnet ist, und ein zweites Loch 10, in dem der Detektor 4 angeordnet ist, auf. Vor dem ersten Emitter 5a und/oder dem zweiten Emitter 5b und/oder dem dritten Emitter 5c ist optional ein optischer Filter, wie z. B. ein Bandpassfilter, Doppelbandpassfilter oder Triplebandpassfilter angeordnet. Der erste Emitter 5a, der zweite Emitter 5b und der dritte Emitter 5c sind in dieser Ausführungsform als LED ausgebildet. Die zweite Ausführungsform des Gassensors 1 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Strahlungsquelle 2 zusätzlich einen dritten Emitter 5c aufweist. Diese zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors 1 ist insbesondere zum quantitativen Messen bzw. zum Detektieren von zwei unterschiedlichen Gasen G geeignet. Dafür sind von dem ersten Emitter 5a, dem zweiten Emitter 5b und dem dritten Emitter 5c Lichtwellen L unterschiedlicher Wellenlängen emittierbar. Der Detektor 4 ermittelt die Intensität dieser teilweise absorbierten Lichtwellen L. Dabei dienen z. B. die von dem dritten Emitter 5c emittierten Lichtwellen als Referenzsignal.
In 4 ist ein Planspiegel 6 einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors 1 in einer Draufsicht abgebildet. Der Planspiegel 6 weist zwei erste Löcher 9 und zwei zweite Löcher 10 auf. In einem ersten Loch 9 ist eine erste Strahlungsquelle 2a mit einem ersten Emitter 5a sowie einem zweiten Emitter 5b angeordnet. In dem anderen ersten Loch 9 ist eine zweite Strahlungsquelle 2b mit einem dritten Emitter 5c sowie einem vierten Emitter 5d angeordnet. In einem zweiten Loch 10 ist ein erster Detektor 4a und in dem anderen zweiten Loch 10 ein zweiter Detektor 4b angeordnet. Die dritte Ausführungsform des Gassensors 1 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass der Gassensor 1 zwei Strahlungsquellen 2 sowie zwei Detektoren 4 aufweist. Von der ersten Strahlungsquelle 2a emittierte Lichtwellen sind vorzugsweise ausschließlich bzw. im Wesentlichen von dem ersten Detektor 4a und von der zweiten Strahlungsquelle 2b emittierte Lichtwellen L ausschließlich bzw. im Wesentlichen von dem zweiten Detektor 4b erfassbar. Im Betrieb können die erste Strahlungsquelle 2a und die zweite Strahlungsquelle 2b simultan Lichtwellen L emittieren. Der erste Emitter 5a, der zweite Emitter 5b, der dritte Emitter 5c und der vierte Emitter 5d sind in dieser Ausführungsform als LED ausgebildet. Diese dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors 1 ist insbesondere zum gleichzeitigen quantitativen Messen bzw. zum Detektieren von zwei unterschiedlichen Gasen G in einem Gasgemisch geeignet. Bandpassfilter, die vor den Strahlungsquellen 2 oder Detektoren 4 angeordnet sind, wirken für Lichtwellen der jeweils anderen Strahlungsquellen 2 als Spiegel. Dies erhöht die Effizienz des Gassensors 1.
Bezugszeichenliste

1: Gassensor
2: Strahlungsquelle
2a: erste Strahlungsquelle
2b: zweite Strahlungsquelle
3: Küvette
4: Detektor
4a: erster Detektor
4b: zweiter Detektor
5: Emitter
5a: erster Emitter
5b: zweiter Emitter
5c: dritter Emitter
5d: vierter Emitter
6: Planspiegel
7: Hohlspiegel
8: optische Achse
9: erstes Loch
10: zweites Loch
G: Gas
L: Lichtwelle

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

DE 20202694 A1 [0005]
DE 4011462 C2 [0009]

Claims

Optischer Gassensor (1) zum quantitativen Messen einer Konzentration eines oder mehrerer Gase, aufweisend eine Strahlungsquelle (2) zum Emittieren von Lichtwellen (L), eine Küvette (3) zur Aufnahme eines zu messenden Gases (G) und einen Detektor (4) zum Messen von Lichtintensitäten, dadurch gekennzeichnet, dass, die Strahlungsquelle (2) mindestens einen Emitter (5) von Lichtwellen (L) aufweist und derart ausgebildet ist, Lichtwellen (L) von mindestens einer ersten Wellenlänge und einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge gleichzeitig, sowie voneinander gesondert zu emittieren, wobei der Emitter (5) ausgebildet ist, ein Spektrum zu emittieren, dessen volle Halbwertsbreite maximal 50% der Schwerpunktswellenlänge beträgt, wobei der Detektor (4) derart ausgebildet ist, eine Intensität der emittierten Lichtwellen (L) der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge quantitativ zu erfassen.
Optischer Gassensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (2) mindestens einen ersten Emitter (5a) und einen zweiten Emitter (5b) aufweist, wobei der erste Emitter (5a) ausgebildet ist, Lichtwellen der ersten Wellenlänge zu emittieren und der zweite Emitter (5b) ausgebildet ist, Lichtwellen der zweiten Wellenlänge zu emittieren, wobei der Detektor (4) und/oder mindestens ein Emitter (5) mindestens einen optischen Filter aufweisen.
Optischer Gassensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (2) ausgebildet ist, ein diskretes Lichtwellenspektrum zu emittieren, dessen volle Halbwertsbreite maximal 20% der Schwerpunktswellenlänge beträgt.
Optischer Gassensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Küvette (3) eine Spiegelanordnung mit einem Planspiegel (6) und einem dem Planspiegel (6) gegenüberliegend angeordneten Hohlspiegel (7) aufweist, wobei eine optische Achse (8) des Hohlspiegels (7) im Wesentlichen senkrecht zum Planspiegel (6) angeordnet ist.
Optischer Gassensor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (2) und/oder der Detektor (4) an dem Planspiegel (6) angeordnet sind.
Optischer Gassensor (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungsquelle (2) und ein Detektor (4) derart an der Küvette (3) angeordnet sind, dass von der Strahlungsquelle (2) emittierte Lichtwellen (L) direkt auf den Detektor treffen.
Optischer Gassensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (2) vom Detektor (4) beabstandet an der Küvette (3) angeordnet ist, wobei der Emitter (5) ausgebildet ist, Lichtwellen (L) mit einem geführten Strahlengang zu emittieren.
Optischer Gassensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Küvette (3) genau ein Detektor (4) angeordnet ist.
Optischer Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Küvette (3) mindestens zwei Strahlungsquellen (2) voneinander beabstandet angeordnet sind.
Optischer Gassensor (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Küvette (3) mindestens zwei Detektoren (4) aufweist, wobei die Detektoren (4) zum Messen von Lichtintensitäten unterschiedlicher Strahlenquellen (2) oder unterschiedlicher Emitter (5) der beiden Strahlenquellen (2) ausgebildet sind.