WO2016074773A1 - Optischer gassensor mit led-emitter zur emission von licht schmaler bandbreite - Google Patents

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WO2016074773A1
WO2016074773A1 PCT/EP2015/002195 EP2015002195W WO2016074773A1 WO 2016074773 A1 WO2016074773 A1 WO 2016074773A1 EP 2015002195 W EP2015002195 W EP 2015002195W WO 2016074773 A1 WO2016074773 A1 WO 2016074773A1
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emitter
gas sensor
light waves
detector
wavelength
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PCT/EP2015/002195
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Andre Pape
Arne TRÖLLSCH
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Dräger Safety AG & Co. KGaA
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    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
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Definitions

  • the invention relates to an optical gas sensor for quantitatively measuring a concentration of one or more gases.
  • Optical gas sensors allow both a qualitative determination of the presence of one or more gases, as well as a quantitative determination of a concentration of one or more gases.
  • Such gas sensors are e.g. used in gas detection devices in systems for the extraction and processing of combustible and / or toxic gases to detect unintentionally leaking gases.
  • Optical gas sensors which have an emitter, a cuvette and a detector.
  • Emitter a light source, such. an incandescent lamp that emits a wide range of light waves, ie light waves with a large number of different wavelengths.
  • the cuvette is preferably a substantially closed space in which the gas to be measured is located.
  • the cuvette may have openings to the outside, which allow a gas exchange of the cuvette with an environment of the gas sensor.
  • the detector is a light sensor with which preferably an intensity of light incident on the detector can be measured.
  • bandpass filters are connected upstream of the corresponding detectors. Such bandpass filters may be designed to pass one or more wavelengths.
  • the gas or gas mixture to be measured is introduced into the cuvette.
  • the cuvette may have one or more openings. Light waves emitted by the light source are used as a function of the concentration of the light
  • CONFIRMATION COPY components of the gas mixture as well as the absorption wavelengths of the respective gas more or less strongly absorbed and meet in the connection to the
  • Light sensor that measures an intensity of these light waves. In this way it can be determined which wavelengths were strongly absorbed by the gas. Because of known specific absorption properties of different gases, a composition of the gas mixture can be determined from this result.
  • an optical gas sensor with a hollow-cylindrical cuvette for receiving the gas to be measured is known.
  • a plane mirror are arranged in the longitudinal axial direction on one side and a concave mirror on the other side.
  • the concave mirror has a plurality of recesses for receiving an incandescent lamp and a light wave detector. Light waves emitted by the incandescent lamp are first reflected several times between plane mirror and concave mirror until they strike the light wave detector. As a result, an optical path is extended, on which these light waves can be absorbed by the gas or gas mixture to be measured. Thus, weakly absorbing gases are easier to measure.
  • Eiri such gas sensor has the particular disadvantage that an arrangement of incandescent lamp and light wave detectors on the concave mirror because of the curved surface of the concave mirror can be produced only with great effort.
  • a variety of light sources used in optical gas sensors have the disadvantage of emitting a relatively wide light wave spectrum.
  • light waves emitted at wavelengths needed to measure the gas concentration but also light waves having wavelengths that are not significant to the measurement of gas concentration and that need to be filtered out by a bandpass filter to avoid measurement errors.
  • the efficiency of the optical gas sensor is adversely affected.
  • incandescent lamps have the additional disadvantage that a large proportion of electrical energy is converted into heat, which must be dissipated as heat loss. This leads to excessive energy consumption of the gas sensor and is particularly disadvantageous for mobile applications that are powered by an internal power source such as a battery become. Due to the increased power consumption, the life of the battery and thus the service life of the mobile gas sensor is significantly reduced.
  • the invention has the object to provide an optical gas sensor, which at least partially does not have these disadvantages. It is therefore the object of the present invention to provide an optical gas sensor with which, in particular, concentrations of weakly light-wave absorbing gases can be quantitatively measured and which has an improved efficiency.
  • an optical gas sensor for quantitatively measuring a concentration of one or more gases, comprising a radiation source for emitting light waves, a cuvette for receiving a gas to be measured and a detector for measuring light intensities.
  • the radiation source has at least one emitter of light waves, such as an LED, and is designed to emit light waves of at least a first wavelength and a second wavelength different from the first wavelength simultaneously and separately from one another.
  • the emitter is preferably designed to emit a spectrum whose full half width is at most 50% of the centroid wavelength.
  • the emitter is further configured to emit a discrete spectrum whose full half width is at most 20% of the centroid wavelength.
  • the detector is configured to quantitatively detect an intensity of the emitted light waves of the first wavelength and the second wavelength.
  • the emitter is preferably designed to convert at least 80% of the electrical energy consumed by the emitter into light waves.
  • the invention is based on the idea that the efficiency of the optical gas sensor can be significantly improved by the use of such an emitter. As a result, less heat is produced in the generation of light waves and thus consumes less electrical energy.
  • the conversion of electrical energy into light waves by an LED generates less heat than, for example, an incandescent lamp, as used in many conventional gas sensors.
  • the gas sensor has a lower power consumption during operation. This is advantageous, in particular, for mobile applications, since in this way a charging cycle of a rechargeable battery or a service life of a battery of the mobile application can be significantly increased.
  • a main signal By separately emitting light waves of different wavelengths, e.g. a main signal, and a reference signal can be generated, wherein the reference signal for checking the measurement result of the main signal can be used.
  • a reference signal By way of example, an embodiment for the quantitative determination of methane may be mentioned.
  • the measuring wavelength of the measuring signal is chosen to be about 3.2 pm, suitable reference wavelengths for the reference signal are found at 3.1 pm and / or at 3.9 pm.
  • the more light waves of different wavelengths can preferably be generated separately, the more gases can be quantitatively determined with the gas sensor according to the invention.
  • the emitter emits only a relatively narrow band of light.
  • the light waves are preferably in the infrared because of the absorption properties of gases.
  • Emitters designed as LED have the advantage that relatively short light pulses can be emitted with them without the LEDs after the light pulse glowing like an incandescent lamp.
  • the individual LEDs can thus emit light pulses essentially immediately one after the other so that, for example, the measurement signal and the reference signal extend through a substantially constant gas mixture arranged in the cuvette.
  • LEDs have the advantage that they are suitable for emitting a relatively narrow-band light spectrum and have a particularly good efficiency in the conversion of electrical energy into light waves.
  • the particular optical properties of LEDs in the form of emitters are, for example, in the field of optical signal transmission with light sources. Waveguides known. In particular, the narrow band of the emitted spectrum due to half-width and center wavelength, for example, in DE 40 11 462 C2 set forth.
  • the detector is e.g. a photodiode, which generates a current upon the impingement of light waves whose current intensity depends on the intensity of the light waves.
  • the degree of absorption of the light waves of a certain wavelength by the gas, and the nature of the gas or composition of the gas mixture can be determined.
  • at least one detector is designed to detect a plurality of different, preferably disjoint wavelength ranges.
  • a corresponding bandpass filter may e.g. be arranged in front of the detector to avoid interference.
  • the bandpass filter may be formed as a function of the radiation source.
  • a band pass filter is preferably arranged in front of the detector, which is permeable to these four wavelengths.
  • Bandpass filters have the further advantage that light waves that are not transmitted by the bandpass filter can be reflected by it.
  • it may be advantageous to arrange a bandpass filter at an emitter or radiation source so that with a plurality of radiation sources with bandpass filters arranged in front of them, less reflection surface of a mirror is lost than without a bandpass filter.
  • the cuvette is preferably designed in such a way that no disturbing influences, like e.g. Light waves from an environment of the gas sensor can penetrate into the cuvette or hit the detector. As a result, a required accuracy of the measurement results of the gas sensor is ensured. Furthermore, an air exchange of the cuvette with the surroundings of the gas sensor is preferably controllable or relatively low, so that during a measurement cycle having at least the single emission of a measurement signal and a reference signal, the gas mixture within the cuvette remains substantially constant. As a result, measurement errors are also avoided or reduced.
  • no disturbing influences like e.g. Light waves from an environment of the gas sensor can penetrate into the cuvette or hit the detector.
  • an air exchange of the cuvette with the surroundings of the gas sensor is preferably controllable or relatively low, so that during a measurement cycle having at least the single emission of a measurement signal and a reference signal, the gas mixture within the cuvette remains substantially constant. As a result, measurement errors are also avoided or reduced.
  • the radiation source has at least a first emitter and a second emitter, the first emitter being formed. det, light waves of the first wavelength and the second emitter is adapted to emit light waves of the second wavelength.
  • the detector and / or at least one emitter have at least one optical filter, such as a bandpass filter.
  • the emitters are designed as LEDs.
  • Such a radiation source is easy to produce and requires a relatively small amount of space.
  • the radiation source is designed to emit a discrete light wave spectrum.
  • the radiation source is designed to generate only light waves of a specific wavelength or a relatively narrow wavelength range.
  • a bandpass filter is arranged in front of the radiation source, which further reduces the wavelength range generated by the radiation source.
  • a plurality of light waves having wavelengths which are spaced apart within the IR spectrum can be generated by the radiation source.
  • the cuvette has a mirror arrangement with a plane mirror and a concave mirror arranged opposite the plane mirror, wherein an optical axis of the concave mirror is arranged substantially perpendicular to the plane mirror.
  • a distance between concave mirror and plane mirror preferably corresponds to an integer fraction of the radius of curvature of the concave mirror.
  • a beam of light passes the cuvette between the mirrors several times, e.g. four or six times before hitting the light sensor.
  • This arrangement has the advantage that even weakly absorbing measuring gases can be measured with a relatively compact size of the gas sensor.
  • a radius of curvature of the concave mirror is variable or the hollow mirror is exchangeable by concave mirrors with different radii of curvature.
  • the beam path of the light waves can be made variable within the gas sensor, so that the light waves depending on the setting. of the curvature radius of the concave mirror are reflected differently between concave mirror and plane mirror until they hit the detector.
  • the gas sensor can be used for measuring gases with weak as well as strong absorption of light waves.
  • the mirror arrangement can have two plane mirrors arranged essentially facing one another, wherein, for example, by turning on the radiation source or at least one mirror, a corresponding reflection of the light beam can be achieved.
  • This variant is particularly simple and inexpensive to produce.
  • Angles of incidence to the surface normal of the mirror are as small as possible, i. that the light waves are almost perpendicular to the mirrors. to meet. This reduces the influence of interfering factors, such as Moisture on the mirror surfaces, which causes absorbing the light waves reduced.
  • the radiation source and / or the detector are arranged on the plane mirror.
  • the radiation source and detector in such an arrangement are readily isolatable from the interior of the cuvette, e.g. through a translucent disk or a bandpass filter, so that they have no direct contact with the sample gas.
  • an arrangement of radiation source and detector on one level has the advantage that they can be arranged on a common board.
  • Such an arrangement is thus particularly simple and inexpensive to produce. More preferably, a distance of the radiation source to an intersection of the optical axis with the plane mirror corresponds to a distance of a detector to this intersection.
  • Such a plane mirror is particularly easy to install because of its symmetry.
  • a radiation source and a detector are arranged on the cuvette such that light waves emitted by the radiation source strike the detector directly.
  • the radiation source and detector are not arranged at the same mirror, so that the light waves strike the detector without being reflected.
  • This has the advantage that particularly strongly absorbing gases can be determined.
  • such a gas sensor has at least two radiation sources spaced apart from one another, wherein at least one radiation source is arranged on the cuvette such that light waves emitted by the radiation source strike the detector only via the mirror arrangement.
  • the gas sensor is designed such that the radiation source is arranged at a distance from the detector on the cuvette.
  • the emitter is designed to emit light waves with a guided beam path.
  • Plan mirror and concave mirror in the context of the invention are considered as components of the cuvette.
  • Such an arrangement is particularly advantageous for gas sensors intended for measuring gases which only weakly absorb light waves.
  • the light waves are emitted as a guided beam path which has substantially no diffuse radiation. This has the advantage that the emitted light is used particularly efficiently for the detection of gases.
  • this is particularly advantageous for gas sensors which are suitable for the detection of gases which have a weak light absorption, since this allows a particularly compact design of the gas sensor.
  • the detector is designed to detect substantially only light waves emitted by the radiation source.
  • the detector can be e.g. have a corresponding bandpass filter.
  • the detector may be configured to quantitatively detect a broad spectrum of light waves of different wavelengths, wherein light waves emitted by the radiation source are part of this spectrum.
  • Such a sensor can be produced particularly inexpensively.
  • the use of only one detector has the advantage that costs for further detectors can be saved.
  • the cuvette with only one detector and the same size on a larger reflection surface of the mirror since only one point of a mirror has a detector. As a result, in particular, the accuracy in the measurement of gases that absorb only weak light waves can be improved.
  • At least two radiation sources are arranged at a distance from one another on the cuvette.
  • the individual radiation sources can have a less complex structure.
  • defective radiation sources are separately interchangeable.
  • repair or replacement costs can be reduced.
  • four radiation sources are arranged on the cuvette.
  • the cuvette has two detectors, wherein the detectors are designed for measuring light intensities of different radiation sources or different emitters, such as different LEDs, of the two radiation sources.
  • the detectors are preferably arranged such that only light waves of a radiation source can be detected by each detector.
  • the radiation sources can be switched or modulated differently. This arrangement has the advantage that a plurality of measuring gases arranged in the cuvette can be determined quantitatively at the same time.
  • the gas sensor has at least one Doppelbandpassfil- ter, which is preferably arranged at a radiation source. More preferably, the gas sensor has at least one triple band pass filter, which is preferably arranged on a radiation source. As a result, a spectrum of light waves emitted by the respective radiation source can be split into clearly separated wavelengths or wavelength spectra.
  • FIG. 1 shows a side view of a first embodiment of a gas sensor according to the invention
  • Figure 2 is a plan view of a plane mirror of the gas sensor according to the invention of Fig. 1;
  • Figure 3 is a plan view of a plane mirror of a second embodiment of a gas sensor according to the invention.
  • Figure 4 is a plan view of a plane mirror of a third embodiment of a gas sensor according to the invention.
  • the first embodiment of the invention opti see gas sensor 1 has a substantially cylindrically shaped cuvette 3, in which a gas to be measured G or gas mixture is arranged.
  • the cuvette 3 has at least one opening which is not recognizable in this view for exchanging the gas G arranged in the cuvette 3 with gas G from the surroundings of the gas sensor 1 arranged.
  • the plane mirror has a radiation source 2, which is designed to emit light waves L of two different wavelengths within the IR spectrum and is aligned in the direction of the concave mirror 7.
  • the radiation source 2 has an emitter 5 embodied as an LED and is embodied such that the light waves L of different wavelengths can be emitted separately from one another.
  • an optical filter such as a bandpass filter, double bandpass filter or triple bandpass filter is optionally arranged.
  • a detector 4 Spaced apart from the light source 2, a detector 4 is arranged on the plane mirror 6 and aligned in the direction of the concave mirror 7. The detector 4 is designed to measure the intensity of light waves.
  • the concave mirror 7 has an optical axis 8, which is arranged substantially perpendicular to the plane mirror 6. The distance from the concave mirror 7 to the emitter 5 in this first embodiment is about half the radius of curvature of the concave mirror 7. When using an arranged in front of the emitter 5 optical filter, the distance is slightly larger than half of the radius of curvature of the concave mirror 7.
  • the plane mirror 6 has a first hole 9, in which a radiation source 2 with a first emitter 5a and a second emitter 5b is arranged, and a second hole 10, in which the detector 4 is arranged on.
  • This first embodiment of the gas sensor 1 according to the invention is particularly suitable for quantitatively measuring the gas concentration or for detecting a single gas G.
  • light waves L of different wavelengths can be emitted alternately from the first emitter 5a and the second emitter 5b and / or modulated with different frequencies.
  • the detector 4 detects the intensity of these partially absorbed light waves L.
  • the light waves emitted by the second emitter 5b can be used as a reference signal.
  • the first emitter 5a and the second emitter 5b are formed as LED in this embodiment.
  • the plane mirror 6 has a first hole 9, in which a radiation source 2 with a first emitter 5a, a second emitter 5b and a third emitter 5c is arranged, and a second hole 10, in which the detector 4 is arranged on.
  • an optical filter such as a bandpass filter, double bandpass filter or triple bandpass filter is optionally arranged.
  • the first emitter 5a, the second emitter 5b and the third emitter 5c are formed as LED in this embodiment.
  • the second embodiment of the gas sensor 1 differs from the first embodiment in that the radiation source 2 additionally has a third emitter 5c.
  • This second embodiment of the gas sensor 1 according to the invention is particularly suitable for quantitatively measuring or for detecting two different gases G.
  • light waves L of different wavelengths can be emitted by the first emitter 5a, the second emitter 5b and the third emitter 5c.
  • the detector 4 determines the intensity of these partially absorbed light waves L.
  • the light waves emitted by the third emitter 5c serve as the reference signal.
  • a plane mirror 6 of a third embodiment of the gas sensor 1 according to the invention is shown in a plan view.
  • the plane mirror 6 has two first holes 9 and two second holes 10. In a first.
  • Hole 9 is a first radiation source 2a with a first emitter 5a and a second emitter 5b arranged.
  • a second radiation source 2b having a third emitter 5c and a fourth emitter 5d is arranged in a second hole 10.
  • a first detector 4a and in the other second hole 10 a second detector 4b is arranged.
  • the third embodiment of the gas sensor 1 differs from the first embodiment in that the gas sensor 1 has two radiation sources 2 and two detectors 4.
  • Light waves L emitted by the first radiation source 2 a are preferably exclusively or essentially detectable by the first detector 4 a and light waves L emitted by the second radiation source 2 b exclusively or essentially by the second detector 4 b.
  • the first radiation source 2a and the second radiation source 2b can simultaneously emit lightwaves L.
  • the first emitter 5a, the second emitter 5b, the third emitter 5c, and the fourth emitter 5d are formed as LEDs in this embodiment.
  • This third embodiment of the gas sensor 1 according to the invention is particularly suitable for the simultaneous quantitative measurement or for detecting two different gases G in a gas mixture.
  • Bandpass filters which are arranged in front of the radiation sources 2 or detectors 4, act for light waves of the respective other radiation sources 2 as a mirror. This increases the efficiency of the gas sensor 1.

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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

BESCHREIBUNG
OPTISCHER GASSENSOR MIT LED-EMITTER ZUR EMISSION VON LICHT SCHMALER BANDBREITE
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 mes- sende 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 vorge- schaltet. 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 Licht- quelle emittierte Lichtwellen werden in Abhängigkeit der Konzentration der Be-
BESTÄTIGUNGSKOPIE standteile 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 hohlzylinderför- migen 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.
Eiri derartiger Gassensor hat insbesondere den Nachteil, dass eine Anordnung von Glühlampe und Lichtwellendetektoren an dem Hohlspiegel wegen der ge- krümmten 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 Ver- lustwärme 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 Konzent- rationen 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 Wellen- länge gleichzeitig sowie voneinander gesondert zu emittieren. Der Emitter ist vorzugsweise ausgebildet, ein Spektrum zu emittieren, dessen volle Halbwertsbreite maximal 50% der Schwerpunktswellenlänge beträgt. Vprzugsweise 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 Um- Wandlung 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 Batte- he 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 Me- than angeführt. Die Messwellenlänge des Messsignals ist dabei mit ca. 3,2 pm gewählt, geeignete Referenzwellenlängen für das Referenzsignal ergeben sich bei 3,1 pm und/oder bei 3,9 pm.
Je mehr Lichtwellen unterschiedlicher Wellenlängen vorzugsweise gesondert erzeugbar sind, desto mehr Gase lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Gas- sensor 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 Licht- Wellenleitern 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 er- fassen. 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 ei- ner Strahlüngsquelle, 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 ausgebil- det 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 vorgese- hen 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 Hohlspie- gel 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 Krümmungs- radius'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 Strah- lungsquelle 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 Strahlungs- quelle 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 ah 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 ent- sprechenden 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 kos- tengünstig 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 vonei- nander 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 ange- ordnet, 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 Doppelbandpassfil- ter 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:
Figur 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungs- gemäßen Gassensors;
Figur 2 eine Draufsicht auf einen Planspiegel des erfindungsgemäßen Gassensors aus Fig. 1 ;
Figur 3 eine Draufsicht auf einen Planspiegel einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors; und Figur 4 eine Draufsicht auf einen Planspiegel einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors.
Die in Fig. 1 abgebildete erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen opti- sehen 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 unter- schiedlicher 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 ausge- bildet. 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 Krüm- mungsradius 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 Fig. 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 Fig. 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 Triple- bandpassfilter 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 Ausfüh- rungsform 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 Wellen- längen 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 Fig. 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

Claims

PATENTANSPRÜCHE
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.
5. Optischer Gassensor (1 ) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (2) und/oder der Detektor (4) an dem Planspiegel (6) angeordnet sind.
6. 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.
7. 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.
8. Optischer Gassensor (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass an der Küvette (3) genau ein Detektor (4) angeordnet ist.
9. Optischer Gassensor ( ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass an der Küvette (3) mindestens zwei Strahlungsquellen (2) voneinander beabstandet angeordnet sind.
10. 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.
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