DE102019210163A1

DE102019210163A1 - Optische messanordnung und gassensor mit derselben

Info

Publication number: DE102019210163A1
Application number: DE102019210163.1A
Authority: DE
Inventors: Farhang Ghasemi Afshar
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2021-01-14
Also published as: US20220236174A1; WO2021004874A1

Abstract

Optische Messanordnung (1), insbesondere für einen nichtdispersiven Infrarotsensor (NDIR), umfasst einen rohrabschnittförmigen Hohlkörper (2) mit einer Zentralachse (C), die sich von einem ersten Stirnende (3) zu einem gegenüberliegenden zweiten Stirnende (4) des Hohlkörpers (2) erstreckt, wobei in einer Innenoberfläche (5) des Hohlkörpers (2) ein spiralförmiger Hohllichtleiter gebildet ist, indem die Innenoberfläche (5) zumindest teilweise aus einem lichtreflektierenden Material und in Form einer sich um die Zentralachse (C) windenden Hohlspirale (6) mit einem zur Zentralachse (C) hin offenen Hohlquerschnitt ausgebildet ist. Die optische Messanordnung (1) umfasst ferner eine Lichtquelle (7), die in einem an dem ersten Stirnende (3) des Hohlkörpers (2) liegenden ersten Spiralende (6a) derart angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, ein Lichtstrahlenbündel (L1, L2) in die Hohlspirale (6) tangential zu deren Windungen zu emittieren, sodass dieses nach mehreren Reflexionen innerhalb der Hohlspirale (6) aus einem an dem zweiten Stirnende (4) des Hohlkörpers (2) liegenden zweiten Spiralende (6b) austritt, und einen Lichtdetektor (8), der in dem zweiten Spiralende (6b) derart angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, das austretende Lichtstrahlenbündel zu erfassen und abhängig von dem erfassten Lichtsignal ein elektronisches Messsignal auszugeben.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Messanordnung, insbesondere für einen nichtdispersiven Infrarotsensor (NDIR) oder ein anderes spektroskopisches Gerät. Die Erfindung betrifft ferner einen Gassensor mit einer solchen optischen Messanordnung sowie ein entsprechendes Betriebsverfahren.
Stand der Technik
Nichtdispersive Infrarotsensoren (NDIR) werden typischerweise für spektroskopische Untersuchungen von Gasen eingesetzt, um beispielsweise eine Konzentration bestimmter Gaskomponenten, wie etwa CO, CO₂ oder Kohlenwasserstoffen, in einem Gasgemisch aufgrund für betreffende Gasmoleküle charakteristischer Absorptionskennlinien im Infrarotbereich (IR) der elektromagnetischen Strahlung zu bestimmen. Bekannte NDIR-Gassensoren verwenden daher typischerweise eine mit dem zu untersuchenden Gas gefüllte Kammer, in der ein Strahlengang von einer IR-Lichtquelle zu einem geeigneten IR-Lichtdetektor verläuft.
Dabei sollte die optische Weglänge zwischen der Lichtquelle und dem Lichtdetektor lang genug sein, um eine messbare Absorption durch die betreffenden Gasmoleküle zu erreichen. Eine Vergrößerung der optischen Weglänge führt allerdings in der Regel zu größeren Sensorabmessungen. Zudem wird die am Detektor ankommende Lichtintensität bei einem längeren Lichtweg in der Regel auch durch von der gewünschten Gasabsorption verschiedene höhere optische Verluste geringer, was zu einem schlechteren Signal-/Rauschverhältnis führen kann. Es sind unterschiedliche Konstruktionsvorschläge für einen optischen Gassensor bekannt, die sich mit den genannten Problemen beschäftigen:
So ist beispielsweise aus TWM476923U eine mit Gas ausgefüllte Hohlkammer einer elliptischen Form bekannt, bei der zur effizienteren Nutzung der Strahlungsleistung einer MEMS- (Micro-Electro-Mechanical-System) Infrarotquelle eine Bifokaleigenschaft der elliptischen Form genutzt wird, indem die IR-Quelle in einem Brennpunkt und ein IR-Detektor in einem anderen Brennpunkt der elliptischen Hohlkammer angeordnet sind.
Ferner schlägt die US 2003/0058439 A1 eine Gaszelle mit einer Hohlkammer für ein vorbestimmtes Gasvolumen vor, die unter anderem von einer ersten teilweise elliptischen Spiegelfläche und zwei dieser gegenüberliegenden weiteren teilweise elliptischen Spiegelflächen begrenzt ist. Die Gaszelle umfasst ferner eine Lichtquelle und einen oder mehrere zum Erfassen eines von der Lichtquelle erzeugten Lichts geeigneten Detektoren. Die teilweise elliptischen Spiegelflächen sind dabei derart relativ zueinander angeordnet, dass eine für diese Anordnung maximal mögliche optische Weglänge für ein Lichtstrahlenbündel erzielt wird, das von den genannten Spiegelflächen reflektiert wird und einen der Detektoren erreicht. Spezifisch handelt es sich dabei um eine sehr flach ausgestaltete Hohlkammer, die in lateraler Richtung von den genannten Spiegelflächen begrenzt ist.
Ein weiterer Gassensor ist aus WO 98/09152 bekannt, der zur Verlängerung der optischen Weglänge in einer Gaszelle mit beschränkten Abmessungen drei jeweils als Teil eines Ellipsoids geformte Konkavspiegel aufweist. Konstruktionen mit drei gegenüberliegenden konkaven Spiegelflächen sind allerdings vergleichsweise komplex in der Herstellung und können zudem empfindlich von einer in Bezug auf die Brennpunktpositionen der drei verschiedenen Konkavspiegel geeigneten Lichtstrahlrichtung abhängen.
Es wird daher in US 2007/0279633 A1 ein weiterer optischer Gassensor, insbesondere einen NDIR-Sensor zur Messung einer CO₂-Konzentration, mit einer vergrößerten optischen Weglänge vorgeschlagen. Dieser Gassensor weist eine Gaskammer zum Aufnehmen eines zu untersuchenden Gases auf, wobei die Wandung der Gaskammer durch zwei gegenüberliegende Konkavspiegel mit unterschiedlichen Brennweiten, jedoch einem gemeinsamen Brennpunkt gebildet ist.
Eine weitere optische Hohlkammer für einen NDIR-Gassensor mit einer vergrößerten optischen Weglänge ist aus US 2009/0135415 A1 bekannt und weist zwei gegenüberliegende parabolische Spiegel auf, deren gemeinsamer Brennpunkt auf deren gemeinsamer optischer Achse liegt, wobei ein planarer Spiegel entlang der optischen Achse zwischen den Scheitelpunkten der parabolischen Spiegel angeordnet ist. Damit ein Großteil des Lichts innerhalb der optischen Hohlkammer zum Detektor konvergiert, kann spezifisch ein zusätzlicher ellipsoidaler Spiegel vorgesehen sein, der diffuses Licht von der Lichtquelle in den gemeinsamen Brennpunkt fokussiert. Allerdings kann bei der praktisch realisierbaren Ausgestaltung einer derartigen optischen Hohlkammer ein Strahlengang vorkommen, der vom Brennpunkt abweicht.
Ferner schlägt US 2005/0180889 A1 eine Gasanalyse-Anordnung mit einer zwischen lichtemittierenden Mitteln und lichtempfangenden Mitteln etwas bogenförmig ausgebildeten Kammer oder Röhre, die ein zu untersuchendes Gas enthält. Spezifisch kann die bogenförmige Kammer in der Nähe der lichtemittierenden Mittel einen quadratischen, teilweise elliptischen oder teilweise kreisförmigen Querschnitt besitzen, wobei die lichtemittierenden Mittel jeweils im Zentrum, d. h. dem geometrischen Mittelpunkt, des Quadrats, der Ellipse oder des Kreises angeordnet sind. Die Bogenform der Kammer kann insbesondere einen teilkreisförmigen Bogen, alternativ auch mit einer zylindrischen oder elliptischen statt der kreisförmigen Krümmung darstellen und bildet eine bogenförmige konkave lichtreflektierende Fläche für einen innerhalb der Kammer propagierenden divergierenden oder diffusen Lichtstrahl. Die Länge des Bogens ergibt eine entsprechende Länge der Gasanalyse-Anordnung, wodurch der optischen Weglänge wiederum eine praktische Grenze gesetzt ist.
Darstellung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine optische Messanordnung, insbesondere für einen nichtdispersiven Infrarotsensor, sowie einen entsprechenden Gassensor bereitzustellen, die es ermöglichen, die optische Weglänge innerhalb der optischen Messanordnung zu vergrößern und gleichzeitig deren Gesamtabmessungen, die optischen Verluste darin und die konstruktive Komplexität in Grenzen zu halten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen entsprechenden Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und durch ein Verfahren zu dessen Betrieb gemäß Anspruch 15. Weiterbildungen und spezifische Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der Beschreibung für die optische Messanordnung genannten weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf den Gassensor und das Verfahren, wie auch umgekehrt.
Ausgangspunkt ist eine optische Messanordnung, insbesondere für einen nichtdispersiven Infrarotsensor (NDIR) oder ein andersartiges spektroskopisches Gerät. Die optische Messanordnung umfasst einen rohrabschnittförmigen Hohlkörper mit einem ersten Stirnende und einem gegenüberliegenden zweiten Stirnende. Als rein gedankliche Stützhilfe wird ferner eine Zentralachse definiert, die sich mittig durch den Hohlkörper von seinem ersten zu seinem zweiten Stirnende erstreckt und im einfachen Fall eine Gerade, im Allgemeinen jedoch auch eine gebogene Linie darstellen kann. Ferner ist in einer Innenoberfläche des Hohlkörpers ein spiralförmiger Hohllichtleiter gebildet, indem die Innenoberfläche des Hohlkörpers zumindest teilweise aus einem lichtreflektierenden Material und in Form einer sich um die Zentralachse des Hohlkörpers windenden Hohlspirale mit einem zur Zentralachse hin offenen Hohlquerschnitt ausgebildet ist.
Ferner weist die optische Messanordnung eine Lichtquelle auf, die z. B. eine oder mehrere LEDs (Leuchtdiode(n)) umfassen kann, wobei die Lichtquelle innerhalb der Hohlspirale an einem ersten Spiralende, welches am oder näher am ersten Stirnende des Hohlkörpers liegt, derart angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, ein Lichtstrahlenbündel in die Hohlspirale im Wesentlichen tangential zu deren Windungen (oder entlang der Windungen der Hohlspirale) auszusenden, sodass dieses nach mehreren Reflexionen innerhalb der Hohlspirale aus einem am oder näher am zweiten Stirnende des Hohlkörpers liegenden zweiten Spiralende austritt. (Hierin kann unter „im Wesentlichen“ insbesondere eine herstellungs- oder konstruktionsbedingte mögliche Abweichung von bis zu etwa 10% von betreffenden Abmessungen oder Raumrichtungen verstanden werden.)
Weiterhin weist die optische Messanordnung einen für das von der Lichtquelle emittierte Licht geeigneten Lichtdetektor auf, der z. B. eine oder mehrere Photodiode(n) umfassen kann, wobei der Lichtdetektor in dem zweiten Spiralende derart angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, das daraus austretende Lichtstrahlenbündel zu erfassen (empfangen) und abhängig von dem so erfassten Lichtsignal ein elektronisches Messsignal auszugeben.
Mit einem derartigen, als Hohlspirale in der Innenoberfläche des rohrabschnittförmigen Hohlkörpers ausgebildeten Hohllichtleiter kann insbesondere auf engstem Bauraum, der grundsätzlich nur den Außenabmessungen des Hohlkörpers entspricht, ein spektroskopisches Gerät mit einer aufgrund der einfachen Skalierbarkeit der Konstruktion grundsätzlich beliebig langen optischen Weglänge realisiert sein, wodurch beispielsweise eine entsprechend hohe und damit gut messbare Absorption durch eine zu untersuchende Substanz im Hohllichtleiter erreichbar ist. Der Anzahl der Windungen der Hohlspirale sind dabei konstruktiv keine Grenzen gesetzt. Bei einer geeigneten optischen Ausgestaltung der Hohlspirale und der hierzu relativen Anordnung der Lichtquelle und des Lichtdetektors (einige Beispiele werden weiter unten angegeben) können auch die optischen Verluste auf dem Lichtweg zwischen Lichtquelle und Lichtdetektor minimiert und damit ein gutes Signal-/Rauschverhältnis erzielt sein.
Eine mögliche Anwendung ist für nichtdispersive Infrarotsensoren (NDIR), insbesondere für spektroskopische Untersuchungen von Gasen vorgesehen, um beispielsweise eine Konzentration bestimmter Gaskomponenten, wie etwa CO, CO₂ oder Kohlenwasserstoffen, in einem Gasgemisch aufgrund für betreffende Gasmoleküle charakteristischer Absorptionskennlinien im Infrarotbereich (IR) der elektromagnetischen Strahlung zu bestimmen. Dabei bietet die optische Messanordnung der hierin dargelegten Art einen besonderen Vorteil, dass das zu untersuchende Gas dem Hohllichtleiter besonders einfach zuzuführen ist, insbesondere ohne hinein diffundieren zu müssen. Aufgrund des zur Zentralachse des Hohlkörpers offenen Hohlquerschnitts der Hohlspirale kann das zu untersuchende Gas in einfacher Weise an den Stirnseiten des Hohlkörpers in diesen eingeführt oder aus diesem herausgelassen werden und füllt dabei praktisch ohne nennenswerte Zeitverzögerung, d. h. sofort, auch den Hohllichtleiter.
Dabei sollte die optische Weglänge zwischen der Lichtquelle und dem Lichtdetektor lang genug sein, um eine messbare Absorption durch die betreffenden Gasmoleküle zu erreichen. Eine Vergrößerung der optischen Weglänge führt allerdings in der Regel zu größeren Sensorabmessungen. Zudem wird die am Detektor ankommende Lichtintensität bei einem längeren Lichtweg in der Regel auch durch von der gewünschten Gasabsorption verschiedene höhere optische Verluste geringer, was zu einem schlechteren Signal-/Rauschverhältnis führen kann.
Der Hohlquerschnitt der Hohlspirale muss für die hierin dargelegte Funktionalität zwar nicht zwingend konstant entlang der Hohlspirale bleiben, Letzteres stellt aber einen praktisch besonders relevanten und günstigen Fall dar. Einfachheitshalber ist hierin daher meist von „dem Hohlquerschnitt“ die Rede. Dies ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen und soll im stets ebenfalls möglichen Fall eines entlang der Hohlspierale variierenden Hohlquerschnitts als „jeweiliger Hohlquerschnitt“ verstanden werden.
Die im Wesentlichen tangentiale Einstrahlung eines Lichtstrahlenbündels in die Hohlspirale kann je nach spezifischer geometrischer Ausgestaltung in einem jeweiligen Anwendungsfall derart gewählt sein, dass beispielsweise durch möglichst flache mehrfache Reflexionen des Lichtstrahlenbündels im Inneren der Hohlspirale ein möglichst hoher Anteil des am ersten Spiralende in die Hohlspirale eingestrahlten Lichts an deren zweitem Spiralende am Detektor ankommt. Auch für diesen Anteil sind grundsätzlich keine Grenzen durch die beschriebene Konstruktion gesetzt, insbesondere kann er durch eine geeignet gewählte Geometrie des Hohlquerschnitts und eine diesbezügliche Positionierung der Lichtquelle und des Lichtdetektors (Beispiele werden weiter unten angegeben) sehr hoch sein.
Das lichtreflektierende Material kann z. B. bestmögliche Reflexionseigenschaften für das je nach Anwendungsfall in der optischen Messanordnung verwendete Licht besitzen. Rein beispielhaft ist hierin meist von elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich die Rede, während auch andere Spektralbereiche z. B. im und um den sichtbaren Spektralbereich in der optischen Messanordnung der hierin dargelegten Art genauso gut realisiert sein können. Geeignete lichtreflektierende Materialien sind dem Fachmann bekannt. Insbesondere kann hierzu die Rauigkeit eines geeigneten lichtreflektierenden Materials etwa 1/10 bis ¼ der mittleren Wellenlänge des verwendeten Lichts betragen. Geeignete Materialien sind etwa Metalle, wie z. B. Gold, Silber, Aluminium, wobei es sich um das Material des Hohlkörpers oder aber um eine Beschichtung eines aus anderem Material, wie z. B. Kunststoff, gefertigten Hohlkörpers handeln kann.
Die Lichtquelle kann dabei, muss aber nicht einen Kollimator umfassen. Ebenfalls ist es grundsätzlich nicht erforderlich, Licht in den Hohllichtleiter einzukoppeln, da ein beispielsweise senkrecht zu einer Windung der Hohlspirale an deren erstem Spiralende positionierter LED-Chip das Licht direkt in die Hohlspirale emittiert. Das Gleiche gilt auch entsprechend für den Detektor am zweiten Spiralende.
Gemäß einer Ausführungsform der optischen Messanordnung ist der Hohlquerschnitt der Hohlspirale symmetrisch bezüglich einer Scheitellinie der Hohlspirale und als Teil einer Ellipse ausgebildet. Dabei umfasst der genannte Teil der Ellipse einen ersten Brennpunkt der Ellipse. Diese Ausgestaltung des Hohllichtleiters kann insbesondere die mehrfachen Reflexionen eines von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahlenbündels im Inneren der Hohlspirale begünstigen, sodass ein Großteil des Lichtstrahlenbündels den Hohllichtleiter nicht verlässt und am zweiten Spiralende am Lichtdetektor ankommt (nachfolgend wird dies kurz als optische Eigenschaften des Hohllichtleiters bezeichnet). Dadurch können insbesondere besonders niedrige optische Verluste - abgesehen von der gewünschten Absorption in einem zu untersuchenden Medium wie einem Gas - auf dem Weg des Lichtstrahlenbündels durch die Hohlspirale bis zum Lichtdetektor erzielt werden.
Bei einer für denselben Zweck besonders günstigen Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die am ersten Spiralende angeordnete Lichtquelle im ersten Brennpunkt der Ellipse, insbesondere um diesen zentriert, angebracht. Alternativ oder zusätzlich kann zur Verstärkung der genannten Wirkung auch der am zweiten Spiralende angeordnete Lichtdetektor in dem gleichen, ersten Brennpunkt der Ellipse, insbesondere um diesen zentriert, angeordnet sein.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung der optischen Messanordnung gemäß der obigen Ausführungsform liegt der jeweilige zweite Brennpunkt einer Ellipse eines jeweiligen Hohlquerschnitts der Hohlspirale auf der Zentralachse des Hohlkörpers an jeder Position entlang der Zentralachse des Hohlkörpers. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausgestaltung der Hohllichtleiter, d. h. die Hohlspirale, dadurch gebildet, dass die genannte Ellipse um deren zweiten Brennpunkt gedreht wird, bei einer gleichzeitiger, insbesondere gleichförmiger, translatorischer Bewegung der Ellipse in einer zu deren Ebene senkrechten Richtung, d. h. in Richtung der Zentralachse des Hohlkörpers. Insbesondere ergibt sich daraus bei konstant bleibenden Abmessungen der Ellipse entlang der Zentralachse des Hohlkörpers ein kreisförmiger Innenquerschnitt des Hohlkörpers. Diese Ausgestaltung kann sowohl für die Herstellung als auch für die oben beschriebenen optischen Eigenschaften des Hohllichtleiters besonders günstig sein, ist jedoch keinesfalls zwingend für die hierin dargelegte Grundfunktionalität der optischen Messanordnung.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung der optischen Messanordnung gemäß der obigen Ausführungsform beträgt das Verhältnis der großen Achse der Ellipse zu der kleinen Achse der Ellipse mindestens 1,3; vorzugsweise mindestens 1,5; weiter bevorzugt mindestens 1,6 oder noch höher, wie z. B. etwa 1,8; 2,0; 2,2 oder höher. Ein praktisch besonders günstiges Verhältnis der großen zu der kleinen Achse der Ellipse kann etwa 5/3 betragen. Je nach baulichen Gegebenheiten eines konkreten Anwendungsfalls, wie z. B. einer lateraler Chipabmessung der Lichtquelle und/oder des Lichtdetektors, kann es dabei für die oben beschriebenen optischen Eigenschaften des Hohllichtleiters besonders günstig sein, für den Hohlquerschnitt der Hohlspirale eine möglichst schmale Ellipse (d. h. mit einem möglichst großen Verhältnis der großen zu der kleinen Achse) und/oder eine im Verhältnis zu dem den Hohlquerschnitt der Hohlspirale ausbildenden Teil der Ellipsenfläche möglichst nahe Position des ersten Brennpunkts an der Scheitellinie der Hohlspirale zu wählen. Insbesondere können dabei baulich bedingte Grenzen allein durch eine laterale Größe der Lichtquelle und eine Intensität sowie Divergenz eines von der Lichtquelle in die Hohlspirale eingespeisten Lichtstrahlenbündels gesetzt sein.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung der optischen Messanordnung gemäß der obigen oder jeder anderen Ausführungsform kann die Hohlspirale von dem ersten Spiralende bis zum zweiten Spiralende mindestens 0,5 einer vollen Windung, vorzugsweise 0,8 bis 5 volle Windungen, weiter bevorzugt 1,5 bis 3 volle Windungen umfassen. Ein besonders günstiger Kompromiss zwischen der möglichst großen optischen Weglänge auf der einen Seite und möglichst geringen unerwünschten optischen Verlusten bei der Lichtausbreitung im Hohllichtleiter auf der anderen Seite kann beispielsweise mit einer Hohlspirale erzielt werden, die von ihrem ersten Spiralende bis zu ihrem zweiten Spiralende etwa 2 volle Windungen umfasst.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung der optischen Messanordnung gemäß der obigen oder jeder anderen Ausführungsform kann die optische Messanordnung ferner eine gemeinsame ebene Leiterplatte umfassen, auf der sowohl die Lichtquelle als auch der Lichtdetektor angeordnet, insbesondere gebondet, sind. Dies kann einen beispielsweise im Hinblick auf die Herstellung besonders günstigen Aufbau ergeben.
Dabei kann die gemeinsame Leiterplatte beispielsweise ferner eine Elektronikschaltung zur Unterstützung einer Ansteuerung der Lichtquelle und/oder des Lichtdetektors und/oder eines Auslesens des Lichtdetektors, wie z. B. einen Verstärker in Form eines Pre-Amplifier-ASIC (Englisch für: application specific integrated circuit), umfassen.
Weiterhin können bei dieser spezifischen Ausgestaltung die Lichtquelle und der Lichtdetektor in der Hohlspirale an gegenüberliegenden Enden eines Durchmessers des Hohlkörpers angeordnet sein und die gemeinsame Leiterplatte derart am Hohlkörper befestigt sein, dass seine Zentralachse im Wesentlichen in einer Ebene der gemeinsamen Leiterplatte liegt. Dies kann wiederum im Hinblick auf die Herstellung besonders günstig sein. Zudem kann eine derart ebene und entlang der Zentralachse des Hohlkörpers ausgerichtete Montage der gemeinsamen Leiterplatte insbesondere auch eine kleinstmögliche oder vernachlässigbare Behinderung für einen Durchfluss eines zu untersuchenden Gases durch den Hohlkörper entlang seiner Zentralachse ergeben, was eine stets gleichmäßige Ausfüllung des Hohlkörpers und damit auch des Hohllichtleiters mit diesem Gas begünstigen kann.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung der optischen Messanordnung können zum Einlassen eines zu untersuchenden Gases in den Hohlkörper und zum Auslassen des Gases daraus beide Stirnenden des Hohlkörpers offen, d. h. nur durch jeweilige Ränder seiner rohrabschnittförmigen Wandung begrenzt, sein oder aber geschlossen sein und Öffnungen aufweisen.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung der optischen Messanordnung kann sie ferner eine Steuerungseinheit zur Ansteuerung der Lichtquelle und/oder des Lichtdetektors und/oder zum Auslesen des Lichtdetektors und/oder zum Auswerten des von diesem ausgegebenen elektronischen Messsignals umfassen. Dabei kann die Steuerungseinheit bei einer vorteilhaften Weiterbildung zumindest teilweise in einem Innenraum des Hohlkörpers, insbesondere nah an oder auf dessen Zentralachse, angeordnet sein, wobei der Innenraum des Hohlkörpers radial von einem von der Hohlspirale eingenommenen Raumbereich und axial von seinen beiden Stirnenden begrenzt ist. Dies kann eine insgesamt besonders platzsparende Anordnung ergeben, deren Gesamtgröße z. B. nur durch Außenabmessungen des Hohlkörpers bestimmt ist.
Die Erfindung sieht auch einen Gassensor, insbesondere einen nichtdispersiven Infrarotsensor (NDIR), vor, der eine optische Messanordnung der hierin dargelegten Art umfasst, die eine oben genannte Steuerungseinheit aufweist und bei der zum Einlassen eines zu untersuchenden Gases in den Hohlkörper und zum Auslassen des Gases daraus beide Stirnenden des Hohlkörpers offen sind oder aber geschlossen sind und Öffnungen aufweisen. Dabei kann beispielsweise das erste Stirnende des Hohlkörpers oder eine darin angeordnete Öffnung als ein Gaseinlass und das zweite Stirnende des Hohlkörpers oder eine darin angeordnete Öffnung als ein Gasauslass für das zu untersuchende Gas dienen, oder umgekehrt. Vorzugsweise kann der Gassensor ferner eine Benutzerschnittstelle zur Bedienung und/oder Überwachung des Gassensors, wie z. B. ein Display mit oder ohne Eingabemöglichkeiten für einen Benutzer.
Ein mit dem beschriebenen Gassensor mögliches Verfahren zur optischen Spektralanalyse eines Gases kann beispielsweise folgende Schritte umfassen:

- Füllen des Hohlkörpers mit einem zu untersuchenden Gas, indem das Gas über den Gaseinlass in den Hohlkörper eingeführt wird,
- Ansteuern der Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahlenbündels in die Hohlspirale tangential zu deren Windungen derart, dass das Lichtstrahlenbündel nach mehreren Reflexionen innerhalb der Hohlspirale aus einem an dem zweiten Stirnende des Hohlkörpers liegenden zweiten Spiralende austritt,
- Auslesen des elektronischen Messsignals des Lichtdetektors und Durchführen einer Spektralanalyse des zu untersuchenden Gases abhängig vom ausgelesenen Messsignal, und
- Auslassen des zu untersuchenden Gases aus dem Hohlkörper über den Gasauslass zum kontinuierlichen oder schrittweisen Auswechseln des Gases im Hohlkörper.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der beigefügten Zeichnungen. Insbesondere werden dabei die obigen Aspekte, Ausführungsformen und spezifische Ausgestaltungen anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher erläutert. Die Zeichnungen sind rein schematisch, sie sind insbesondere nicht als maßstabsgetreu zu lesen.
Figurenliste
Es zeigen:

1 in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht einer optischen Messanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 die optische Messanordnung der 1 in einer teilweise durchsichtigen perspektivischen Ansicht zur Erläuterung in deren Innerem verborgener Details;
3a eine perspektivische Ansicht eines Hohlkörpers der optischen Messanordnung der 1;
3b eine teilweise im Querschnitt dargestellte perspektivische Ansicht des Hohlkörpers der 3a;
4 eine perspektivische Ansicht einer gemeinsamen ebenen Leiterplatte der optischen Messanordnung der 1, die sowohl die Lichtquelle als auch den Lichtdetektor trägt;
5 in schematischer Darstellung eine weitere perspektivische Ansicht einer optischen Messanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gemäß einer Computersimulation;
6 eine perspektivische Ansicht der Ausbreitung eines von einer Lichtquelle in Form eines Lambert-Strahlers emittierten Lichtstrahlenbündels in der optischen Messanordnung der 5 gemäß einer Computersimulation;
7 eine perspektivische Ansicht der Ausbreitung eines von einer kollimierten Lichtquelle emittierten Lichtstrahlenbündels in der optischen Messanordnung der 5 gemäß einer Computersimulation; und
8 ein schematisches Blockdiagramm eines Gassensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einer erfindungsgemäßen optischen Messanordnung.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Bestandteile beziehungsweise gleich oder ähnlich wirkende Bestandteile mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht einer optischen Messanordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei 2 eine der 1 im Übrigen entsprechende teilweise durchsichtige Ansicht zur besseren Erkennbarkeit von im Innern der optischen Messanordnung 1 verborgenen Details zeigt. Die optische Messanordnung 1 ist in diesem Beispiel insbesondere für einen nichtdispersiven Infrarotsensor (NDIR) zur optischen Untersuchung von Gasen einsetzbar.
Die optische Messanordnung 1 umfasst einen rohrabschnittförmigen Hohlkörper 2 mit einem in diesem Beispiel offenen ersten Stirnende 3 und einem gegenüberliegenden, ebenfalls offenen zweiten Stirnende 4. Rein beispielhaft weist der Hohlkörper 2 hier eine zylindrische Außenfläche 2a mit einem kreisrunden Querschnitt auf, wobei der rohrabschnittförmige Hohlkörper 2 nicht auf eine derart kreisrunde Zylinderform seiner Außenfläche 2a beschränkt ist, sondern grundsätzlich beliebig außenseitig ausgestaltet sein kann.
Zur Vereinfachung der Beschreibung ist in 1 ferner eine Zentralachse C des Hohlkörpers 2 schematisch angedeutet, die sich mittig durch einen Innenraum 2b des Hohlkörpers 2 von seinem ersten Stirnende 3 bis zu seinem zweiten Stirnende 4 erstreckt und in dem dargestellten einfachen Fall eine Gerade ist.
In einer Innenoberfläche 5 des Hohlkörpers 2 ist dabei ein spiralförmiger Hohllichtleiter dadurch gebildet, dass die Innenoberfläche 5 des Hohlkörpers 2 aus einem lichtreflektierenden Material und in Form einer sich um die Zentralachse C des Hohlkörpers 2 windenden Hohlspirale 6 mit einem zur Zentralachse C hin offenen Hohlquerschnitt ausgebildet ist. Der Hohlquerschnitt der Hohlspirale 6 ist insbesondere in der Querschnittsdarstellung der 3b deutlich zu sehen. Das lichtreflektierende Material kann z. B. bestmögliche Reflexionseigenschaften für das je nach Anwendungsfall in der optischen Messanordnung verwendete Licht besitzen, in diesem Beispiel im Infrarotbereich der elektromagnetischer Strahlung, während die optische Messanordnung 1 auch für spektroskopische Untersuchungen in anderen Spektralbereiche z. B. im und um den sichtbaren Spektralbereich einsetzbar ist. Geeignete lichtreflektierende Materialien sind dem Fachmann bekannt, wie z. B. Metalle wie Gold, Silber oder Aluminium etc, wobei es sich um das Material des Hohlkörpers 2 oder aber um eine Beschichtung der Innenoberfläche 5 bei einem aus anderem Material, wie z. B. Kunststoff, gefertigten Hohlkörpers 2 handeln kann.
Ferner weist die optische Messanordnung 1 eine in 1 verdeckte Lichtquelle 7 (vgl. 2) auf, die hier rein beispielhaft als eine LED (Leuchtdiode) ausgebildet ist, sowie einen für das von der Lichtquelle 7 emittierte Licht geeigneten Lichtdetektor 8 (in 1 ebenfalls verdeckt, vgl. 2), der hier rein beispielhaft zwei Photodioden umfasst. In diesem Beispiel sind sowohl die Lichtquelle 7 als auch der Lichtdetektor 8 auf einer in 4 separat gezeigten gemeinsamen ebenen Leiterplatte 9 gebondet, was beispielsweise im Hinblick auf die Herstellung, Montage und/oder Ansteuerung der Lichtquelle 7 und des Lichtdetektors 8 einen besonders günstigen Aufbau ergeben kann. Optional kann die gemeinsame Leiterplatte 9 eine die Ansteuerung der Lichtquelle 7 und/oder des Lichtdetektors 8 unterstützende Elektronikschaltung, wie z. B. einen Verstärker in Form eines Pre-Amplifier-ASICs (Englisch für: application specific integrated circuit), umfassen.
Dabei ist die Lichtquelle 7 innerhalb der Hohlspirale 6 an deren erstem Spiralende 6a (in 1 verdeckt, vgl. 2), welches näher am ersten Stirnende 3 des Hohlkörpers 2 liegt, derart angeordnet und ausgebildet, dass sie im Betrieb der optischen Messanordnung 1 ein Lichtstrahlenbündel in die Hohlspirale 6 tangential oder entlang der Windungen der Hohlspirale 6 emittiert, sodass dieses nach mehreren Reflexionen innerhalb der Hohlspirale 6 aus einem am zweiten Stirnende 4 des Hohlkörpers 2 liegenden zweiten Spiralende 6b austritt. Der Lichtdetektor 8 ist in dem zweiten Spiralende 6b derart angeordnet und ausgebildet, dass er im Betrieb der optischen Messanordnung 1 das daraus austretende Lichtstrahlenbündel erfasst, d. h. empfängt, und abhängig von dem so erfassten Lichtsignal ein elektronisches Messsignal ausgibt, das beispielsweise von einer geeigneten Steuerungseinheit ausgewertet werden kann.
Wie besonders gut in 2 zu erkennen ist, sind hierzu in diesem Beispiel eine lichtemittierende Oberfläche 7a der Lichtquelle 7 und lichtempfangende Oberflächen 8a der Photodioden des Lichtdetektors 8 jeweils senkrecht zu der Richtung der Windungen der Hohlspirale 6, mit anderen Worten in einer Ebene des ersten Spiralendes 6a beziehungsweise des zweiten Spiralendes 6b, die in 2 mit dem jeweiligen Hohlquerschnitt der Hohlspirale 6 zusammenfallen, angeordnet und ausgerichtet. Bei dieser Positionierung kann die Lichtquelle 7 das Licht direkt in die Hohlspirale 6 emittieren. Das Gleiche gilt auch entsprechend für den Lichtdetektor 8. Daher kann die Lichtquelle 7 zwar, muss aber nicht zwingend einen Kollimator umfassen. Ebenfalls ist es aus diesem Grund nicht erforderlich, Licht in den Hohllichtleiter einzukoppeln.
Mit einem derartigen, als Hohlspirale 6 in der Innenoberfläche 5 des rohrabschnittförmigen Hohlkörpers 2 ausgebildeten Hohllichtleiter kann auf engstem Bauraum, der grundsätzlich den Außenabmessungen des Hohlkörpers 2 entspricht, ein spektroskopisches Gerät mit einer aufgrund der einfachen Skalierbarkeit der Konstruktion grundsätzlich beliebig langen optischen Weglänge realisiert sein, die in 1 und 2 der Länge der Hohlspirale 6 von deren erstem Spiralende 6a bis zu deren zweitem Spiralende 6b entspricht. Dadurch ist beispielsweise eine entsprechend hohe und damit gut messbare Absorption durch ein zu untersuchendes Gas im Hohllichtleiter erreichbar. In diesem Beispiel, das (wie beispielsweise an den in 6 bis 8 dargestellten Simulationsergebnissen erkennbar) im Hinblick auf die Ausbreitung des Lichtstrahlenbündels in der Hohlspirale 6 gut für spektroskopische Untersuchungen an Gasen eignet, kann ein Außendurchmesser des Hohlkörpers 2 beispielsweise zwischen etwa 16 und 20 mm, insbesondere etwa 18 mm betragen, und seine entlang der Zentralachse C gemessene Länge kann beispielsweise etwa 5 bis 6 mm betragen, was insgesamt im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen eine deutliche Verkleinerung der Gesamtgröße eines Gassensors bei einer vergleichbaren optischen Weglänge ermöglicht.
Der Anzahl der Windungen der Hohlspirale 6 sind dabei konstruktiv grundsätzlich keine Grenzen gesetzt, und bei einer geeigneten optischen Ausgestaltung der Hohlspirale 6 und der hierzu relativen Anordnung der Lichtquelle 7 und des Lichtdetektors 8 (einige Beispiele werden weiter unten angegeben) können auch die optischen Verluste auf dem Lichtweg zwischen Lichtquelle 7 und Lichtdetektor 8 minimiert und damit ein gutes Signal-/Rauschverhältnis erzielt sein. Bei dem in den Figuren gezeigten Beispiel sind rein beispielhaft für zwei volle Windungen der Hohlspirale 6 gute optische Eigenschaften im Hinblick auf die Messempfindlichkeit einerseits und das Signal-/Rauschverhältnis andererseits erzielt worden.
Eine mögliche Anwendung der optischen Messanordnung 1 ist für spektroskopische Untersuchungen von Gasen, beispielsweise in einem NDIR-Sensor, um beispielsweise eine Konzentration bestimmter Gaskomponenten, wie etwa CO, CO₂ oder Kohlenwasserstoffen, in einem Gasgemisch aufgrund für betreffende Gasmoleküle charakteristischer Absorptionskennlinien im Infrarotbereich der elektromagnetischen Strahlung zu bestimmten.
Dabei bietet die optische Messanordnung 1 einen besonderen Vorteil, dass das zu untersuchende Gas dem Hohllichtleiter durch die offenen Stirnseiten 3 und 4 des Hohlkörpers 2 besonders einfach zuzuführen ist, insbesondere ohne hinein diffundieren zu müssen. Dies ist in 1 durch Pfeile G schematisch angedeutet. Aufgrund des zur Zentralachse C des Hohlkörpers 2 offenen Hohlquerschnitts der Hohlspirale 6 kann das zu untersuchende Gas in einfacher Weise an den Stirnseiten des Hohlkörpers in diesen eingeführt oder aus diesem herausgelassen werden und füllt dabei praktisch ohne nennenswerte Zeitverzögerung, d. h. sofort, auch den Hohllichtleiter. Bei der dargestellten spezifischen Ausgestaltung sind die Lichtquelle 7 und der Lichtdetektor 8 in der Hohlspirale 6 ferner an gegenüberliegenden Enden eines Durchmessers des Hohlkörpers 2 angeordnet, sodass die gemeinsame Leiterplatte 9 derart am Hohlkörper 2 befestigt sein kann, dass seine Zentralachse C im Wesentlichen in einer Ebene der gemeinsamen Leiterplatte 9 liegt. Dies kann wiederum im Hinblick auf die Herstellung besonders günstig sein. Zudem kann eine derart ebene und entlang der Zentralachse C des Hohlkörpers 2 ausgerichtete Montage der gemeinsamen Leiterplatte 9 insbesondere auch eine kleinstmögliche oder vernachlässigbare Behinderung für einen in 1 durch Pfeile angedeuteten Durchfluss G eines zu untersuchenden Gases durch den Hohlkörper 2 entlang seiner Zentralachse C ergeben. Dadurch kann z. B. eine stets gleichmäßige Ausfüllung des Hohlkörpers 2 und damit auch des Hohllichtleiters mit diesem Gas begünstigt sein.
3a zeigt separat den Hohlkörper 2 der optischen Messanordnung der 1 und 2 in einer gegenüber 1 und 2 räumlich verdrehten perspektivischen Ansicht, die einen besseren Blick auf die beiden Spiralenden 6a und 6b ermöglicht. Ferner zeigt 3b eine untere Teilhälfte eines entlang der Spiralenden 6a und 6b durchgeschnittenen Hohlkörpers 2 der 3a, zur Vereinfachung der nachfolgenden Erläuterung der geometrischen Ausgestaltung der Hohlspirale 6.
Der Hohlquerschnitt der Hohlspirale 6 bleibt bei dem in den Figuren gezeigten Beispiel konstant entlang der Hohlspirale 6, was für die hierin dargelegte Funktionalität jedoch nicht zwingend erforderlich ist, aber einen praktisch besonders relevanten und günstigen Fall darstellen kann.
Bei der in den Figuren gezeigten Ausführungsform der optischen Messanordnung 1 ist der Hohlquerschnitt der Hohlspirale 6 symmetrisch bezüglich einer Scheitellinie S (von der in 3b jeweils nur ein Punkt an dem Schnitt durch den Hohlkörper 2 zu sehen ist) der Hohlspirale 6 und als Teil einer Ellipse ausgebildet. Dabei umfasst der genannte Teil der Ellipse einen ersten Brennpunkt der Ellipse, der in 2 dadurch erkennbar ist, dass in diesem ersten Brennpunkt der Ellipse die Lichtquelle 7 beziehungsweise die zwei Photodioden des Lichtdetektors 8 angeordnet sind.
Eine derartige Ausgestaltung des Hohllichtleiters und Anordnung der Lichtquelle 7 und des Lichtdetektors 8 können insbesondere mehrfache Reflexionen eines von der Lichtquelle 7 ausgesandten Lichtstrahlenbündels im Inneren der Hohlspirale 6 begünstigen, damit ein Großteil des Lichtstrahlenbündels den Hohllichtleiter nicht verlässt und am zweiten Spiralende 6b am Lichtdetektor 8 ankommt. Dadurch können beispielsweise besonders niedrige optische Verluste - abgesehen von der gewünschten Absorption in einem zu untersuchenden Gas - auf dem Weg des Lichtstrahlenbündels durch die Hohlspirale 6 bis zum Lichtdetektor 8 erzielt werden.
Rein beispielhaft liegt bei der in den Figuren gezeigten optischen Messanordnung 1 der jeweilige zweite Brennpunkt einer Ellipse eines jeweiligen Hohlquerschnitts der Hohlspirale 6 auf der Zentralachse C des Hohlkörpers 2 an jeder Position entlang der Zentralachse C des Hohlkörpers 2. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausgestaltung der Hohllichtleiter, d. h. die Hohlspirale 6, dadurch gebildet, dass die genannte Ellipse um deren zweiten Brennpunkt gedreht wird, bei einer gleichzeitiger, insbesondere gleichförmiger, translatorischer Bewegung der Ellipse in einer zu deren Ebene senkrechten Richtung, d. h. in Richtung der Zentralachse C des Hohlkörpers 2. Insbesondere ergibt sich daraus bei konstant bleibenden Abmessungen der Ellipse entlang der Zentralachse C des Hohlkörpers 2 ein in den Figuren gezeigten kreisförmiger Innenquerschnitt des Hohlkörpers 2. Diese Ausgestaltung kann sowohl für die Herstellung als auch für die oben beschriebenen optischen Eigenschaften des Hohllichtleiters besonders günstig sein, ist jedoch keinesfalls zwingend für die hierin dargelegte Grundfunktionalität der optischen Messanordnung 1.
Ferner illustrieren die Figuren ein spezifisches Beispiel für ein günstiges Verhältnis der großen zu der kleinen Achse der Ellipse von etwa 5/3. Je nach baulichen Gegebenheiten eines konkreten Anwendungsfalls, wie z. B. einer lateraler Chipabmessung der Lichtquelle 7 und/oder des Lichtdetektors 8, kann es für die oben beschriebenen optischen Eigenschaften des Hohllichtleiters besonders günstig sein, für den Hohlquerschnitt der Hohlspirale 6 eine möglichst schmale Ellipse (d. h. mit einem möglichst großen Verhältnis der großen zu der kleinen Achse) und/oder eine im Verhältnis zu dem den Hohlquerschnitt der Hohlspirale 6 ausbildenden Teil der Ellipsenfläche möglichst nahe Position des ersten Brennpunkts an der Scheitellinie S der Hohlspirale 6 zu wählen. Insbesondere können dabei baulich bedingte Grenzen allein durch eine laterale Größe der Lichtquelle 7 und/oder eine Intensität sowie Divergenz eines von der Lichtquelle 7 in die Hohlspirale 6 eingespeisten Lichtstrahlenbündels gesetzt sein. Die in diesem Beispiel genannten spezifischen geometrischen Parameter können z. B. für einen Anwendungsfall mit einer Lichtquelle 7 mit einem in lateraler Richtung, d. h. entlang der in 2 und 4 gezeigten lichtemittierenden Oberfläche 7a, quadratischen LED-Chip von etwa 0,4x0,4 mm² oder runden LED Chip mit einem Durchmesser von etwa 0,3 mm zu den hierin beschriebenen guten optischen Eigenschaften der optischen Messanordnung 1 führen.
In 5 ist in schematischer Darstellung eine weitere perspektivische Ansicht einer optischen Messanordnung 1, deren Ausgestaltung derjenigen der 1 bis 5 entspricht, gemäß einer Computersimulation zur Untersuchung der Lichtausbreitung in deren Hohllichtleiter gezeigt. 6 zeigt das entsprechende Simulationsergebnis für die Ausbreitung eines von einer Lichtquelle 7 in Form eines Lambert-Strahlers emittierten Lichtstrahlenbündels L1 in der optischen Messanordnung 1 der 5. 7 zeigt das entsprechende Simulationsergebnis für die Ausbreitung eines von einer Lichtquelle 7, die einen Kollimator umfasst, emittierten kollimierten Lichtstrahlenbündels L2 in der optischen Messanordnung 1 der 5. Wie man daraus erkennt, verbleibt in beiden Fällen ein Großteil des Lichtstrahlenbündels L1 oder L2 bei den mehreren Reflexionen in der Hohlspirale 6 in deren Innerem, verlässt also den Hohllichtleiter nicht und kommt am zweiten Spiralende 6b daher am Lichtdetektor 8 an.
Schließlich zeigt 8 ein schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Gassensors 10, insbesondere einen nichtdispersiven Infrarotsensor (NDIR), der eine optische Messanordnung 1 der hierin dargelegten Art umfasst, die insbesondere wie in 1 bis 7 ausgebildet sein kann. In 8 sind die oben beschriebenen und in 1 bis 4 genauer dargestellten Elemente wie der Hohlkörper 2 mit dem in seiner Innenoberfläche ausgebildeten spiralförmigen Hohllichtleiter, als Gaseinlass und als Gasauslass ausgebildete Stirnenden 3 und 4 des Hohlkörpers, die Lichtquelle 7 und der Lichtdetektor 8 rein schematisch angedeutet.
Ferner weist der Gassensor 10 eine Steuerungseinheit 11 auf, die beispielsweise zumindest teilweise in einem Innenraum 2b des Hohlkörpers 2, insbesondere nah an oder auf dessen Zentralachse C (vgl. 1 bis 3a), angeordnet sein, wobei der Innenraum 2b des Hohlkörpers 2 radial von einem von der Hohlspirale 6 eingenommenen Raumbereich und axial von seinen beiden Stirnenden 3 und 4 begrenzt ist. Dies kann eine insgesamt besonders platzsparende Anordnung ergeben, bei der eine Gesamtgröße des Gassensors 10 nur durch Außenabmessungen des Hohlkörpers 2 bestimmt ist. Alternativ kann die Steuerungseinheit 11 aber auch außerhalb des Hohlkörpers 2 angeordnet sein. Die Steuerungseinheit 11 kann beispielsweise zur Ansteuerung der Lichtquelle 7 und/oder des Lichtdetektors 8 und/oder zum Auslesen des Lichtdetektors 8 und/oder zum Auswerten des von diesem ausgegebenen elektronischen Messsignals eingerichtet sein. Vorzugsweise kann der Gassensor 10 ferner eine Benutzerschnittstelle 12 zur Bedienung und/oder Überwachung des Gassensors 10, wie z. B. ein Display mit oder ohne Eingabemöglichkeiten für einen Benutzer, umfassen.
Bezugszeichenliste

1: optische Messanordnung
2: rohrabschnittförmiger Hohlkörper
2a: Außenfläche des Hohlkörpers
3: erste Stirnseite des Hohlkörpers
4: zweite Stirnseite des Hohlkörpers
5: Innenoberfläche des Hohlkörpers
6: Hohlspirale
6a: erstes Spiralende
6b: zweites Spiralende
7: Lichtquelle
7a: lichtemittierende Oberfläche der Lichtquelle
8: Lichtdetektor
8a: lichtempfangende Oberfläche des Lichtdetektors
9: gemeinsame ebene Leiterplatte
10: Gassensor
11: Steuerungseinheit
12: Benutzerschnittstelle
C: Zentralachse des Hohlkörpers
L1: erstes Lichtstrahlenbündel
L2: zweites Lichtstrahlenbündel
G: Gas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2003/0058439 A1 [0005]
WO 9809152 [0006]
US 2007/0279633 A1 [0007]
US 2009/0135415 A1 [0008]
US 2005/0180889 A1 [0009]

Claims

Optische Messanordnung (1), insbesondere für einen nichtdispersiven Infrarotsensor (NDIR), umfassend: einen rohrabschnittförmigen Hohlkörper (2) mit einer Zentralachse (C), die sich von einem ersten Stirnende (3) zu einem gegenüberliegenden zweiten Stirnende (4) des Hohlkörpers (2) erstreckt, wobei in einer Innenoberfläche (5) des Hohlkörpers (2) ein spiralförmiger Hohllichtleiter gebildet ist, indem die Innenoberfläche (5) zumindest teilweise aus einem lichtreflektierenden Material und in Form einer sich um die Zentralachse (C) windenden Hohlspirale (6) mit einem zur Zentralachse (C) hin offenen Hohlquerschnitt ausgebildet ist, eine Lichtquelle (7), die in einem an dem ersten Stirnende (3) des Hohlkörpers (2) liegenden ersten Spiralende (6a) derart angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, ein Lichtstrahlenbündel (L1, L2) in die Hohlspirale (6) tangential zu deren Windungen zu emittieren, sodass dieses nach mehreren Reflexionen innerhalb der Hohlspirale (6) aus einem an dem zweiten Stirnende (4) des Hohlkörpers (2) liegenden zweiten Spiralende (6b) austritt, und einen Lichtdetektor (8), der in dem zweiten Spiralende (6b) derart angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, das austretende Lichtstrahlenbündel zu erfassen und abhängig von dem erfassten Lichtsignal ein elektronisches Messsignal auszugeben.
Optische Messanordnung (1) gemäß Anspruch 1, wobei der Hohlquerschnitt der Hohlspirale (6) symmetrisch bezüglich einer Scheitellinie (S) der Hohlspirale (6) und als Teil einer Ellipse, der einen ersten Brennpunkt der Ellipse umfasst, ausgebildet ist.
Optische Messanordnung (1) gemäß Anspruch 2, wobei die Lichtquelle (7) im ersten Brennpunkt der Ellipse, insbesondere um diesen zentriert, angeordnet ist.
Optische Messanordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei der Lichtdetektor (8) im ersten Brennpunkt der Ellipse, insbesondere um diesen zentriert, angeordnet ist.
Optische Messanordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei ein jeweiliger zweiter Brennpunkt der Ellipse des jeweiligen Hohlquerschnitts der Hohlspirale (6) auf der Zentralachse (C) des Hohlkörpers (2) liegt.
Optische Messanordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Verhältnis einer großen Achse der Ellipse zu einer kleinen Achse der Ellipse mindestens 1,3; vorzugsweise mindestens 1,5; weiter bevorzugt mindestens 5/3 beträgt.
Optische Messanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hohlspirale (6) von dem ersten Spiralende (6a) bis zum zweiten Spiralende (6b) mindestens 0,5 einer vollen Windung, vorzugsweise 0,8 bis 5 Windungen, weiter bevorzugt 1,5 bis 3 Windungen, besonders bevorzugt etwa 2 Windungen umfasst.
Optische Messanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine gemeinsame ebene Leiterplatte (9), sie sowohl die Lichtquelle (7) als auch den Lichtdetektor (8) trägt.
Optische Messanordnung (1) gemäß Anspruch 8, wobei die gemeinsame Leiterplatte (9) ferner eine Elektronikschaltung zur Unterstützung einer Ansteuerung der Lichtquelle (7) und/oder des Lichtdetektors (8) und/oder eines Auslesens des Lichtdetektors (8) umfasst.
Optische Messanordnung (1) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die Lichtquelle (7) und der Lichtdetektor (8) in der Hohlspirale (6) an gegenüberliegenden Endabschnitten eines Innendurchmessers des Hohlkörpers (2) angeordnet sind und die gemeinsame Leiterplatte (9) derart am Hohlkörper (2) befestigt ist, dass seine Zentralachse (C) in der Ebene der gemeinsamen Leiterplatte (9) liegt.
Optische Messanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Steuerungseinheit (11) zur Ansteuerung der Lichtquelle (7) und/oder des Lichtdetektors (8) und/oder zum Auslesen des Lichtdetektors (8) und/oder zum Auswerten des von diesem ausgegebenen elektronischen Messsignals.
Optische Messanordnung (1) gemäß Anspruch 11, wobei die Steuerungseinheit (11) zumindest teilweise in einem Innenraum (2b) des Hohlkörpers (2), insbesondere nah an oder auf dessen Zentralachse (C), angeordnet ist, wobei der Innenraum (2b) des Hohlkörpers (2) radial von einem von der Hohlspirale (6) eingenommenen Raumbereich und axial von seinen beiden Stirnenden (3, 4) begrenzt ist.
Optische Messanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Einlassen eines zu untersuchenden Gases in den Hohlkörper (2) und zum Auslassen des Gases daraus beide Stirnenden (3, 4) des Hohlkörpers (2) offen sind oder aber geschlossen sind und Öffnungen aufweisen.
Gassensor (10), insbesondere ein nichtdispersiver Infrarotsensor (NDIR), umfassend die optische Messanordnung (1) gemäß Anspruch 13, soweit rückbezogen auf Anspruch 11 oder 12, wobei das erste Stirnende (3) des Hohlkörpers (2) oder eine darin angeordnete Öffnung als ein Gaseinlass und das zweite Stirnende (4) des Hohlkörpers (2) oder eine darin angeordnete Öffnung als ein Gasauslass für das zu untersuchende Gas ausgebildet sind, oder umgekehrt, und vorzugsweise ferner eine Benutzerschnittstelle (12) zur Bedienung und/oder Überwachung des Gassensors (10).
Verfahren zur optischen Spektralanalyse eines Gases, umfassend: - Bereitstellen eines Gassensors (10) gemäß Anspruch 14, - Füllen des Hohlkörpers (2) mit einem zu untersuchenden Gas, indem das Gas über den Gaseinlass in den Hohlkörper (2) eingeführt wird, - Ansteuern der Lichtquelle (7) zum Emittieren eines Lichtstrahlenbündels in die Hohlspirale (6) tangential zu deren Windungen derart, dass dieses nach mehreren Reflexionen innerhalb der Hohlspirale (6) aus einem an dem zweiten Stirnende (4) des Hohlkörpers (2) liegenden zweiten Spiralende (6b) austritt, - Auslesen des elektronischen Messsignals des Lichtdetektors (8) und Durchführen einer Spektralanalyse des zu untersuchenden Gases abhängig vom ausgelesenen Messsignal, und - Auslassen des zu untersuchenden Gases aus dem Hohlkörper (2) über den Gasauslass zum kontinuierlichen oder schrittweisen Auswechseln des Gases im Hohlkörper (2).