CN105277502B - 用于测量目标气体浓度的气体感测结构 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量目标气体浓度的气体感测结构，具有：辐射装置(3,4)；辐射接收装置(5)；滤波装置(6)；以及控制和分析装置(7)。该气体感测结构能以相对较低的技术构造耗费来实现，并且可以极为可靠且精确地实施测量，特别是在要求用于避免危险的措施的情况下，建议将气体感测结构(1)构造成非色散红外光谱法(NDIR)‑气体感测结构(1)，辐射装置(3,4)具有至少两个红外辐射源(3,4)，并且辐射装置(3,4)的至少两个红外辐射源(3,4)中的每一个布置成相对于NDIR‑气体感测结构(1)的构造成红外辐射接收单元(5)的辐射接收装置(5)具有不同的光学距离。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量目标气体浓度的的气体感测结构，该气体感测结构具有：辐射装置，借助该辐射装置，辐射能量可辐射通过包含目标气体的空间；辐射接收装置，借助该辐射接收装置可检测由辐射装置辐射出的辐射能量；滤波装置，该滤波装置分配给辐射接收装置，并且可透过对应于目标气体的波长范围的辐射；以及控制和分析装置，该控制和分析装置连接到辐射接收装置，并且借助该控制和分析装置，基于由辐射接收装置施加于控制和分析装置的检测信号可计算出目标气体浓度。
背景技术
这种气体感测结构越来越多地应用于监测空气质量，其中，特别是监测外部空气的质量和/或存在于内部空间、特别是车辆的内部空间中的空气的质量。
对于监测内部空间的空气质量应确保在这种空气质量可能变差的情况下能以适当的措施来应对。
一段时间以来，在车辆范围内使用对此合适的气体感测结构，其中包括金属氧化物传感器(MOS)，借助这种传感器可监测空气是否存在VOC(挥发性有机化合物)。通过应用这种气体感测结构，在处于车内空间中的空气的VOC浓度过高的情况下，可自动接通车辆通风，以进行换气。
在车辆中越来越多地使用空调设备，在空调设备中将二氧化碳(CO2)用作制冷剂。由于在二氧化碳在车内空气中的浓度升高时二氧化碳会导致车辆驾驶员的疲劳现象和瞌睡，也采用气体感测结构来监测空调设备中的泄漏量。在这些情况下，构造成CO2-感测结构的气体感测结构在车内空气中的CO2浓度不可忍受时触发警报或者作用于车辆通风系统的控制装置，以使得停止由于车内空气中的CO2含量过高而造成的危害。这例如可以通过加大车辆内部空间中的空气流量来完成，由此可减少车辆内部空间的CO2浓度。
由DE 10 2004 024 284 A1已知一种用于监测车内空间中的空气质量的方法，其中，借助适于获取CO2的气体感测结构应实现防止对于车辆内部空间中的生物来说的危险。在此，除了车内空间的CO2含量外还监测车内温度。当在车内温度相对较高的情况下获悉可预先定义的CO2上升梯度时，可确定例如孩童或宠物之类的生物处于车辆的内部空间中。在此，CO2上升梯度标志着在车辆的内部空间中进行呼吸。
发明内容
从前述现有技术出发，本发明的任务在于提供一种用于测量目标气体浓度的气体感测结构，该气体感测结构可借助相对较少的技术构造耗费来实现，并且可完成极为可靠且精确的测量，特别是在需要防止危险的措施的情况下。
该任务根据本发明通过如下方式来解决：气体感测结构构造成非色散红外光谱法(NDIR)-气体感测结构，NDIR-气体感测结构的辐射装置具有至少两个红外辐射源，并且NDIR-气体感测结构的辐射装置的至少两个红外辐射源中的每一个布置成相对于NDIR-气体感测结构的构造成红外辐射接收单元的辐射接收装置而言具有不同的光学距离。替代地，该解决方案可在于：除了将气体感测结构构造成NDIR-气体感测结构外，NDIR-气体感测结构的辐射接收装置具有至少两个红外辐射接收单元，并且气体感测结构的辐射接收装置的至少两个红外辐射接收单元中的每一个布置成相对于NDIR-气体感测结构的构造成红外辐射源的辐射装置而言具有不同的光学距离。由于用于辐射接收装置的经济耗费目前高于用于辐射源的经济耗费，目前根据本发明的NDIR-气体感测结构的设计设有两个红外辐射源和一个红外辐射接收单元。
根据本发明，在NDIR-气体感测结构的情况中实现不同的测量路程，其中，根据结构轮廓和测量目的的不同，对应合适的测量路程会是测量的基础。在较长的光学测量路程或光路的情况下，对于较低的目标气体浓度可实现较高的灵敏度和由此更好的分辨率和精度。但在非常高的目标气体浓度的情况下，较长的光路会导致气体感测结构近乎处于饱和状态下。尽管目标气体浓度进一步升高，但以相对较低的经济耗费不再能测量到由红外辐射接收单元所接收的红外辐射能量的变化。对于较高的浓度，可采用红外辐射源和红外辐射接收单元之间较短的光路。但这在较低的目标气体浓度的情况下又伴随着较低的灵敏度和因此较小的分辨率。在根据本发明的NDIR-气体感测结构的情况下，可根据对信号质量的要求和根据所获悉的目标气体浓度来实现合适的运行方式。
由于根据本发明的气体感测结构构造成NDIR-气体感测结构，可确保能以较高的可靠度和精度来实施，因为与其它为了在此相应的使用目的而设的气体感测结构、特别是具有金属氧化物传感器的气体感测结构相比，NDIR-气体感测结构的横向敏感度针对对于测量来说不相关的气体和特别是针对空气湿度来说非常小。
红外辐射装置和红外辐射接收单元属于该NDIR-气体感测结构。在红外辐射接收单元之前布置有滤波装置，该滤波装置仅使对于红外辐射接收单元的对应测量目的相关的波长能通过。该波长取决于待监测的目标气体。在NDIR-气体感测结构中，为了获悉CO2含量，该波长例如为4.26微米，因为CO2的吸收带在此范围内。如果采用用于监测HC(碳氢化合物)的NDIR-气体感测结构，则波长选择为例如3.3微米。
借助NDIR-气体感测结构的红外辐射接收单元，可测量从红外辐射装置传递到红外辐射接收单元的能量。如果现在关于其浓度待获悉的目标气体进入红外辐射装置与红外辐射接收单元之间的辐射程内，则辐射能量的一部分在特定的波长下由处于该辐射程内的目标气体吸收。这种吸收根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律主要取决于红外辐射装置与红外辐射接收单元之间的测量路程的平均光路长度以及目标气体的浓度。朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律为：
I＝I0·10-ε·c·d
在此，I0是在没有目标气体的情况下传递的能量
c目标气体浓度
d红外辐射源与红外辐射接收器之间的测量路程的平均光路长度
以及
ε取决于目标气体的常数。
目标气体浓度c根据上述给出的公式进行计算。在理想情况下，I0、d和ε为常数。对于该情况，借助红外辐射接收单元测量待传递的能量I和根据公式计算气体浓度c就够了。气体浓度c越高，传递的能量就越少。这是有意义的，因为导致能量传递减少的所有影响因素会导致气体浓度c的过高的值。对于精确的测量结果，红外辐射装置的、在非常长的时间段内为恒定的辐射功率是针对计划的测量专用的波长的先决条件。红外辐射装置与红外辐射接收单元之间的测量路程的平均光路长度也不允许改变。
如果例如为了提高NDIR-气体感测结构的检测信号的信号质量可采用反射表面，以使得由红外辐射装置发出的辐射能量的较大一部分集中到红外辐射接收单元上，则更重要的是构成反射表面的材料的反射特性是稳定的，并且也在NDIR-气体感测结构的可能较长的使用寿命期间不改变。否则，反射性降低或者红外辐射装置的辐射功率降低始终会被认为是过高的目标气体浓度。根据本发明的NDIR-气体感测结构的使用情况不同，在此情况下，可能触发错误警报，当然这应当予以避免。
由现有技术例如已知为了减少NDIR-气体感测结构的红外辐射源的变化以及也为了减少NDIR-气体感测结构的电能的消耗，脉动地运行红外辐射源。例如，当每5秒就有更新的测量值可供使用时，对于一些应用和目的来说就够了。红外辐射源仅每5秒接通直至其达到全辐射功率。为此经常500到1000毫秒就够了。在约定的时间间隔之后，在红外辐射接收器处测量接收功率，其中，在后续的控制和分析装置中由就此获得的检测信号可计算出目标气体浓度。
对于将电池作为电能源的NDIR-气体感测结构，由现有技术已知的脉动运行方式与对于许多使用目的来说过高的能耗相关。为了解决该问题在根据本发明的NDIR-气体感测结构的情况下规定，NDIR-气体感测结构的红外辐射装置能以不同的功率来运行。由此，可实现明显附加的能量节约。
因此，例如对于为了车辆空调设备的CO2泄漏识别而使用NDIR-气体感测结构的情况，警报阈值是适宜的且是有意义的，该警报阈值高于10000ppm的目标气体或CO2浓度(1.0体积％)。对此目的有意义的测量范围的上限经常高于100000ppm(10.0体积％)。
如果要获悉是否在内部空间中有生物，则需要NDIR-气体感测结构的完全不同的测量范围作为前述提及的空调设备的CO2泄漏识别。如果为了获悉内部空间内是否存在生物而使用NDIR-气体感测结构，则在直到1000ppm(0.1体积％)的浓度范围内要求表征CO2浓度的检测信号的高分辨率和精度。这应以如下实施例来阐释：
睡着的婴儿每分钟约有20次呼吸。每次呼吸的空气量为约100毫升。婴儿每分钟对应地呼出0.08升CO2(在呼吸空气增加0.04体积％CO2的情况下)。一小时为约5升CO2。
当待监测的内部空间具有约为5立方米、即5000升的体积时，婴儿在一小时后使CO2浓度升高0.1体积％CO2。如果车辆在大太阳下、在半个小时内会在内部空间中达到高于60摄氏度水平的临界温度，NDIR-气体感测结构能可靠地识别0.05体积％(500ppm)CO2的CO2浓度上升。如果NDIR-气体感测结构的红外辐射源不以不同的功率来根据本发明规定运行，则由现有技术已知的NDIR-气体感测结构在400ppm与5000ppm之间的测量范围内会有明显过小的分辨率。
为了阐释根据本发明的NDIR-气体感测结构的优点，补充参照这种NDIR-气体感测结构的主要能耗器之一是红外辐射源。对于具有特别低的能耗的NDIR-气体感测结构，因此必须改变红外辐射源的运行方式，如由现有技术已知那样。为此假定在NDIR-气体感测结构的红外辐射接收器中接收的辐射能量与从红外辐射源辐射出的辐射能量成比例。由红外辐射源辐射出的辐射能量又与为了使红外辐射源运行而使用的电能直接相关。
相对较大的辐射出的辐射能量因此意味着也相对较高的接收辐射能量以及由此红外辐射接收器的相对较大的或明显的检测信号。这种相对较大的检测信号改善了信噪比，以使得测量更为精确且具有更好的分辨率。
由红外辐射源传递到红外辐射接收器的辐射能量W与辐射出的功率I0和辐射时长T之积成比例。为了改善信号质量，可提高辐射功率和/或辐射时长。为了减少NDIR-气体感测结构的能耗，可降低辐射功率和/或辐射时长。在此，将减少量定为由红外辐射接收器发出的检测信号刚好仍满足所提出的关于分辨率、精度和噪声距离方面的要求。为此，根据本发明的NDIR-气体感测结构具有控制和分析装置，借助该控制和分析装置，红外辐射装置的红外辐射源能以不同的辐射功率来运行。对此，可调节为红外辐射源的能量供给所设的电压源，其中，通过控制和分析装置来进行调节。关于电压源的各个运行电压的数值，可调节红外辐射源的辐射功率的各种级别。
在根据本发明的NDIR-气体感测结构的情况下，第一红外辐射源与红外辐射接收单元或者红外辐射源与第一红外辐射接收单元之间的光学距离相对较小且第二红外辐射源与红外辐射接收单元或者红外辐射源与第二红外辐射接收单元之间的光学距离相对较大是有利的。由此，在非常小和非常大的待获悉的目标气体浓度或目标气体浓度变化的情况下可实现相对精确的测量结果。
较佳地，在根据本发明的NDIR-气体感测结构的情况下，所有存在的红外辐射源能以不同的功率来运行，以使得进一步增大其中能提供具有高可靠度的精确测量的范围。
适宜地，根据本发明的NDIR-气体感测结构能在至少两种运行模式下运行，其中，在第一运行模式中第一红外辐射源以非常低的功率运行，而在第二运行模式中第二红外辐射源以较高的功率运行。在第一运行模式中，根据本发明的NDIR-气体感测结构具有相对较低的能耗。在此运行模式中，有意识地容忍降低的信号质量以及由此放弃相对较高的分辨率、精度和噪声距离。该运行模式的重点在于相对较低的能耗。
在第二运行模式中，根据本发明的NDIR-气体感测结构以相对较高的能耗运行。在此第二运行模式中，重点放在检测信号的相对较高的质量、即其高分辨率、高精度和高噪声距离。
根据本发明的NDIR-气体感测结构的有利的改型，气体感测结构也可在第三运行模式中运行，其中，第二红外辐射源在必要时以相对于第一运行模式明显更高的功率来运行。由此，对于相对较低的目标气体浓度来说，确保精确地获悉目标气体浓度或目标气体浓度的上升量。
如前已述，由现有技术已知为了减少NDIR-气体感测结构的能耗间歇地运行气体感测结构的红外辐射源。只要较低的测量率足够，在此仅为了实施各次测量而短暂地接通红外辐射源。在各次测量之间切断红外辐射源，并且由此不需要电能。已知的间歇运行的优点此外在于，在切断红外辐射源的各个时期中，NDIR-气体感测结构的红外辐射接收器的信号可作为用于后续信号分析的参考点来获悉
如前所述，存在这样的应用情况：在预先给出的最小测量率中必须达到最小能耗，例如在停车的车辆中将CO2作为制冷剂来运行的空调设备的CO2泄漏识别时。警报阈值在此例如处于车内空气中30000ppm的CO2浓度。以较少百分比的容许误差在警报阈值时触发警报。空气中的CO2基本含量约为380ppm。在坐有多个乘客或人员的轿车中，CO2浓度可达到1900ppm的值。然而，在各种情况下与约30000ppm的前述警报阈值的距离还很明显。在前述实施例中，该因数大于1.5。
示例性地在停车的车辆中、在静止模式下要求对于12VDC不得超过50μA的平均电流汲取(W＝0.6M WH)。但同时应达到每分钟一次测量的最小测量率。由此，对于每次测量来说提供仅0.6m WH/60＝0.01mWH的电能。具有400mW额定功率的红外辐射源能以为此提供的电能运行90ms。但在使用NDIR时典型的红外辐射源在几百毫秒之后才达到其运行温度和由此其全辐射功率。因此，将辐射时长从前述第二运行模式中的例如300ms降低到前述第一运行模式中的90ms可显著降低辐射功率以及由此显著降低信号质量。由此，不能达到关于警报阈值的要求的测量容差。在根据本发明的NDIR-气体感测结构中，在NDIR-气体感测结构的红外辐射源以不同的功率来运行时才实现达到这些测量容差。
根据本发明的NDIR-气体感测结构的有利的改型规定，NDIR-气体感测结构可由其控制和分析装置根据在此装置中在NDIR-气体感测结构的第一运行模式中获悉的检测信号从第一运行模式切换到第二运行模式。
从第一运行模式切换到第二运行模式可以特别是在控制和分析装置中获悉达到或超过了目标气体浓度的预先给出的阈值时进行。
根据NDIR-气体感测结构的另一适宜的改型，当在控制和分析装置中获悉达到或超过了目标气体浓度的梯度或上升量的预先给出的阈值时，NDIR-气体感测结构由其控制和分析装置可从第一运行模式切换到第二运行模式。
适宜地，为了避免危险有利的是，当在NDIR-气体感测结构的第二运行模式中在其控制和分析装置中获悉达到或超过了预先给出的警报阈值时，借助NDIR-气体感测结构的控制和分析装置使警报设备和/或通风装置或类似物运行。
为了确保根据本发明的NDIR-气体感测结构(当总是有意义地可行时)在伴随有较低能耗的第一运行模式下运行，有利的是，在NDIR-气体感测结构的第二运行模式中借助控制和分析装置获悉达到或超过了为了从NDIR-气体感测结构的第一运行模式切换到第二运行模式而设的阈值或为了从第二运行模式切换到第一运行模式而设的另一阈值时，根据本发明的NDIR-气体感测结构可借助其控制和分析装置从其第二运行模式回到其第一运行模式。
为了在一定的应用情况下避免持续地从第一运行模式切换到第二运行模式以及反过来，有利的是，在NDIR-气体感测结构的第二运行模式中借助控制和分析装置获悉在从由NDIR-气体感测结构的第一运行模式切换到第二运行模式起的预先给出的时间段期间并未达到预先给出的警报阈值时，借助根据本发明的NDIR-气体感测结构的控制和分析装置，可调整为了将第一运行模式切换到第二运行模式或者为了将第二运行模式切换到第一运行模式而预先给出的阈值。
为了在停车后确保可靠的CO2泄漏监测以及可靠识别可能处于车内空间的生物，有利的是，在停止或停用为了监测其内部空间而装备有气体感测结构的车辆之后，根据本发明的NDIR-气体感测结构在预先给出的时间段内以可调节的比例间歇地在其第一运行模式和其第三运行模式之间运行。借助在第一运行模式中获悉的检测信号能够可靠地确定可能的CO2泄漏量，借助在第三运行模式中提供的检测信号能可靠地确定在车辆的内部空间中是否存在生物。
适宜地，当在NDIR-气体感测结构的第二和/或第三运行模式中在其控制和分析装置中获悉达到或超过了预先给出的警报阈值时，借助控制和分析装置使警报设备和/或通风装置或类似物运行。
在第三运行模式中有利的是，当借助温度传感器获悉超过了预先给出的温度阈值并且将其传给控制和分析装置时，使警报设备和/或通风装置运行。
对于根据本发明的NDIR-气体感测结构的最佳运行来说适宜的是，借助其控制和分析装置根据由针对检测信号预先给出的时间段和预先给出的阈值和警报值定义的算法能自动地调节NDIR-气体感测结构。
前述根据本发明的NDIR-气体感测结构如前面已经描述那样可以被有利地使用或采用以用于获悉车辆的内部空间中的CO2浓度或HC浓度。
在用于运行NDIR-气体感测结构、较佳地运行前述实施方式中的任一种的NDIR-气体感测结构的根据本发明的方法中，设有NDIR-气体感测结构的至少两种运行模式，其中，在NDIR-气体感测结构的每个运行模式中使NDIR-气体感测结构的红外辐射源以不同的功率运行，且其中在第一运行模式中第一红外辐射源以较低的功率运行，且在第二运行模式中第二红外辐射源以较高的功率运行。
适宜地，在实现前述根据本发明的用于运行NDIR-气体感测结构的方法中，当达到或低于或超过预先给出的阈值时，分别将NDIR-气体感测结构从一个运行模式切换到另一个运行模式。
附图说明
下面，按照实施方式参照附图进一步阐释本发明，在本发明的唯一附图中原理上示出根据本发明的用于测量目标气体浓度的根据本发明的气体感测结构的实施例。
具体实施方式
气体感测结构1的在唯一附图中所示的实施方式用于测量例如空间2内部的目标气体浓度。空间2可例如是指车辆的内部空间2。
气体感测结构1构造成非色散红外光谱法(NDIR)-气体感测结构1，并且具有第一红外辐射源3，借助该第一红外辐射源，红外辐射能量可辐射通过包含目标气体、例如二氧化碳(CO2)的空间或内部空间2。
此外，NDIR-气体感测结构1具有第二红外辐射源4，借助第二红外辐射源4，红外辐射能量同样可辐射通过包含目标气体、例如二氧化碳(CO2)的空间或内部空间2。第一红外辐射源3和第二红外辐射源4在根据本发明的气体感测结构1的唯一附图所示的实施例中构成其辐射装置。
红外辐射接收单元5布置在相对于NDIR-气体感测结构1的第一红外辐射源3的一距离处。借助红外辐射接收单元5可检测由第一红外辐射源3辐射通过空间或内部空间2的红外辐射能量。
第二红外辐射源4与红外辐射接收单元5之间的距离在NDIR-气体感测结构1的在唯一附图中所示的实施例中比第一红外辐射源3和红外辐射接收单元5之间的距离明显大。
在红外辐射源3、4和红外辐射接收单元5之间的辐射路径中布置有滤波装置6，该滤波装置分配给红外辐射接收单元5，并且构造成可透过对应于目标气体的波长范围内的辐射。为此，针对将CO2设为目标气体的情况，选择约4.26微米的波长范围，因为CO2的吸收带之一存在于此。如果碳氢化合物(HC)作为目标气体存在，则为此选择约3.3微米的波长范围。
NDIR-气体感测结构1的红外辐射源3、4以及红外辐射接收单元5连接到控制和分析装置7。在此控制和分析装置7中基于由红外辐射接收单元5施加于控制和分析装置7的检测信号可计算出目标气体浓度。
此外，借助NDIR-气体感测结构1的控制和分析装置7能以不同的功率来运行红外辐射源3、4。
在所示实施例中，此外警报设备8和通风装置9连接到NDIR-气体感测结构1的控制和分析装置7。对于针对目标气体浓度在控制和分析装置7中计算出的值超过预先给定的极限值的情况，借助控制和分析装置7使警报设备8运行，以使得能减少或防止对于处在空间或内部空间2内的人员的危险。附加地或者替代地，控制和分析装置7在达到或超过极限值时也使通风装置9运行，其中，通过通风装置9的运行，在空间或内部空间2内的目标气体浓度又能处于容许的范围内。
此外，温度传感器10连接到NDIR-气体感测结构的控制和分析装置。借助温度传感器10来获悉空间或内部空间2内的温度。借助控制和分析装置7来触发警报设备8和/或通风装置9可与一定的温度阈值相关联。因此，例如在停车的车辆中，仅当达到或超过一定的最小温度水平时才触发警报设备8或通风装置9。
图中所示的NDIR-气体感测结构1在所示实施例中能以三种不同的运行类型或运行模式来运行。在第一运行模式中，NDIR-气体感测结构1能以相对较低的能量消耗来运行。在此第一运行模式中，有意识地容忍降低的信号质量以及由此放弃相对较高的分辨率、精度和噪声距离。第一运行模式的重点在于相对较低的能耗。在此第一运行模式中，第二红外辐射源4以较低的辐射功率运行。
在第二运行模式中，NDIR-气体感测结构1的运行伴随着相对较高的能耗。在此第二运行模式中，重点放在具有高分辨率、高精度和高噪声距离的相对较高的信号质量。在此第二运行模式中，第一红外辐射源3以较高的辐射功率运行。
在第三运行模式中，NDIR-气体感测结构1的运行同样伴随着相对较高的能耗。在此第三运行模式中，重点也放在具有高分辨率、高精度和高噪声距离的相对较高的信号质量。在此第三运行模式中，第二红外辐射源4以相对于第一运行模式来说较高的辐射功率来运行。
前述根据本发明的NDIR-气体感测结构1的灵敏度按照朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律主要取决于红外辐射源3、4与红外辐射接收单元5之间的平均光路长度。较长的光路意味着在相对较低的目标气体浓度情况下较高的灵敏度以及由此较好的分辨率和精度。但对于非常大的目标气体浓度，较长的光路会导致NDIR-气体感测结构1近乎饱和。尽管浓度升高，但以可证明的耗费不再能测量到由红外辐射接收单元5接收的红外辐射能量的变化。
因此，针对较高的目标气体浓度，对于测量来说采用第一红外辐射源3和红外辐射接收单元5之间较短的光路。但在相对较低的目标气体浓度的情况下，这种相对较短的光路又决定了相对较小的灵敏度以及由此检测信号的非常小的分辨率。
因此，在根据本发明的NDIR-气体感测结构1的情况下设有第一红外辐射源3和第二红外辐射源4，其中，如前所述第一红外辐射源3布置成相对于红外辐射接收单元5距离相对较短，而第二红外辐射源4布置成相对于红外辐射接收单元5距离较远。
在NDIR－气体感测结构的第一运行模式中，具有相对于红外辐射接收单元5较大距离的第二红外辐射源4通过控制和分析装置7以较低功率来运行。由于第二红外辐射源4和红外辐射接收单元5之间的较长光路所导致的较高灵敏度，可以实施可靠的CO2-泄漏-识别，而NDIR-气体感测结构1无须具有较高的能耗。
在第二运行模式中，第一红外辐射源3通过控制和分析装置7以高功率运行。由于据此提供了具有高分辨率、高精度和高噪声距离的较高信号质量，在此运行模式中可良好地获悉较低的目标气体浓度。由此，可借助NDIR-气体感测结构1来获悉在停车的车辆中是否存在生物。对于这种应用会在达到2000ppm的范围内需要检测信号的高分辨率和CO2浓度的高精度。与记录在控制和分析装置7中的最大允许温度水平相结合地，总是在借助NDIR-气体感测结构1获悉在停车的车辆中有生物并且车辆的内部空间2中的温度超过临界水平时才使警报设备8或通风装置9运行。
睡着的婴儿每分钟约有20次呼吸。呼吸量为约100毫升。因此，婴儿每分钟呼出约0.08升CO2。一个小时呼出约5升。当内部空间2具有约5立方米的容积时，睡着的婴儿在一个小时后造成CO2浓度上升0.1体积％。由于停车的车辆在大太阳下、在半个小时内会在内部空间2中达到高于60摄氏度水平的临界温度，因而NDIR-气体感测结构1能可靠地识别0.05体积％(500ppm)的CO2浓度上升。对此第三运行模式是有利的，在此运行模式中，相对于红外辐射接收单元5距离较大的第二红外辐射源4以高功率运行。由于仅在停车的车辆中监测车辆的内部空间2中是否存在生物，因而必须考虑NDIR-气体感测结构1须以较低能耗来运行。
相应地，在停车后的一预定时间段内、例如30分钟内，使NDIR-气体感测结构以第三运行模式来运行。在此时间段期间，如果所测得的CO2浓度上升量低于预定的阈值，则NDIR-气体感测结构1切换到第一运行模式下。
对于停车后的预定义时间段还可以使NDIR-气体感测结构1间歇地在第一和第三运行模式之间运行。两种运行模式之间的比例可自由编程。例如，NDIR-气体感测结构1每分钟可在第一运行模式中执行一次测量。该测量用于CO2-泄漏-识别。对于停车后一个小时的时间段，每十次测量在第三运行模式中进行。该测量用于识别在车内空间中是否存在生物。
通过该方式确保经由以分钟－间隔进行的对应测量来快速识别CO2-泄漏。此外，以时间上足够的间隔来可靠地识别车辆的内部空间2内是否存在生物。
适宜地，如果在存储在控制和分析装置7中的可预编程的时间内CO2浓度的上升量低于针对生物识别所定义的极限值，则NDIR-气体感测结构1调节CO2监测。所涉及的决定可在内部、即在NDIR-气体感测结构1内部或者通过外部控制器来进行。
为了识别CO2泄漏，在NDIR-气体感测结构1的第一运行模式中，可以在控制和分析装置6中存储目标气体浓度的预先给定的第一阈值。目标气体浓度的该第一阈值相对于同样预先给出的警报阈值设置得较低，以使得由于该第一阈值和警报阈值之间的间隔在任何情况下可确保在达到目标气体浓度的警报阈值之前早就从第一运行模式切换到第二运行模式中。
如果在NDIR-气体感测结构1的第一运行模式中在其控制和分析装置7内获悉目标气体浓度达到或超过了预先给出的第一阈值，则借助控制和分析装置7使NDIR-气体感测结构1从第一运行模式切换到第二运行模式。现在，第一红外辐射源3在NDIR-气体感测结构1的第二运行模式中以相对较高的辐射功率来运行。由此确保由红外辐射接收单元5提供给控制和分析装置7的检测信号的质量在第二运行模式中明显改善，确切而言在远离危险范围的目标气体浓度的范围内。
如果在NDIR-气体感测结构1的第二运行模式中空间或内部空间中的目标气体浓度上升到或者超过预先给出的警报阈值，则借助控制和分析装置7使警报设备运行，其中，同时还使通风装置9起动，借助该通风装置9通过使空间或内部空间2通风可确保防止目标气体浓度的进一步升高。
如果对于处在第二运行模式中的NDIR-气体感测结构1而言低于同样针对目标气体浓度预先给出并且存储在控制和分析装置7中的第三阈值，则控制和分析装置7将NDIR-气体感测结构1切换回到第一运行模式中。
如果在将NDIR-气体感测结构1切换到其第二运行模式中之后未达到预先给出并且存储在控制和分析装置7中的警报阈值，则计算新的第一阈值，该新的第一阈值高于老的第一阈值；该新的第一阈值存储在控制和分析装置7中，此后借助控制和分析装置7将NDIR-气体感测结构1切换回到第一运行模式中。通过对为了将NDIR-气体感测结构1从其第一运行模式切换到第二运行模式而设的第一阈值进行这种调整或升高，由此可避免NDIR-气体感测结构1不停地在第一和第二运行模式之间切换。
在运行前述NDIR-气体感测结构1时实现了对于其使用寿命的绝大部分而言，可使由红外辐射源3、4构成的辐射装置以非常低的电功率需求来运行。NDIR-气体感测结构1的红外辐射装置的辐射功率仅在相对来说极少的超过目标气体浓度的预先给出的第一阈值的情况下升高。仅在上述情况下才需要具有提高的信号质量的检测信号，其中，这种提高的信号质量由NDIR-气体感测结构1的第一红外辐射源3的显著提高的辐射功率来确保。
Claims (19)
1.一种用于测量目标气体浓度的气体感测结构，所述气体感测结构具有：辐射装置，借助所述辐射装置，辐射能量能辐射通过包含目标气体的空间(2)；辐射接收装置，借助所述辐射接收装置能检测由所述辐射装置辐射出的辐射能量；滤波装置(6)，所述滤波装置分配给所述辐射接收装置，并且能透过对应于所述目标气体的波长范围的辐射；以及控制和分析装置(7)，所述控制和分析装置连接到所述辐射接收装置，并且借助所述控制和分析装置基于由所述辐射接收装置提供给所述控制和分析装置(7)的检测信号能计算出目标气体浓度，其特征在于，所述气体感测结构(1)构造成非色散红外光谱法(NDIR)-气体感测结构(1)，所述NDIR-气体感测结构(1)的所述辐射装置具有至少两个红外辐射源(3,4)，并且所述NDIR-气体感测结构(1)的所述辐射装置的所述至少两个红外辐射源(3,4)中的每一个布置成相对于所述NDIR-气体感测结构(1)的构造成红外辐射接收单元(5)的辐射接收装置具有不同的光学距离，其中所述NDIR-气体感测结构(1)被配置成根据对信号质量的要求和所获悉的目标气体浓度来选择使用所述至少两个红外辐射源(3,4)中的哪一者。
2.一种用于测量目标气体浓度的气体感测结构，所述气体感测结构具有：辐射装置，借助所述辐射装置，辐射能量能辐射通过包含目标气体的空间；辐射接收装置，借助所述辐射接收装置能检测由所述辐射装置辐射出的辐射能量；滤波装置，所述滤波装置分配给所述辐射接收装置，并且能透过对应于所述目标气体的波长范围的辐射；以及控制和分析装置，所述控制和分析装置连接到所述辐射接收装置，并且借助所述控制和分析装置基于由所述辐射接收装置提供给所述控制和分析装置的检测信号能计算出目标气体浓度，其特征在于，所述气体感测结构构造成非色散红外光谱法(NDIR)-气体感测结构，所述NDIR-气体感测结构的所述辐射接收装置具有至少两个红外辐射接收单元，并且所述NDIR-气体感测结构的所述辐射接收装置的所述至少两个红外辐射接收单元中的每一个布置成相对于所述NDIR-气体感测结构的构造成红外辐射源的辐射装置具有不同的光学距离，其中所述NDIR-气体感测结构被配置成根据对信号质量的要求和所获悉的目标气体浓度来选择使用所述至少两个红外辐射接收单元中的哪一者。
3.如权利要求1或2所述的气体感测结构，其特征在于，第一红外辐射源(3)与红外辐射接收单元(5)之间或红外辐射源与第一红外辐射接收单元之间的光学距离相对较小，而第二红外辐射源(4)与红外辐射接收单元(5)之间或红外辐射源与第二红外辐射接收单元之间的光学距离相对较大。
4.如权利要求1所述的气体感测结构，其特征在于，至少第二红外辐射源(4)能以不同的功率来运行。
5.如权利要求1所述的气体感测结构，其特征在于，每个红外辐射源(3,4)能以不同的功率来运行。
6.如权利要求1所述的气体感测结构，其特征在于，所述气体感测结构能在第一和第二运行模式中运行，在第一运行模式中，第二红外辐射源(4)以低功率运行，而在第二运行模式中，第一红外辐射源(3)以与第一运行模式中的第二红外辐射源(4)的功率相比更高的功率运行。
7.如权利要求6所述的气体感测结构，其特征在于，所述气体感测结构能在第三运行模式中运行，在所述第三运行模式中，第二红外辐射源(4)以相对于第一运行模式中的功率更高的功率来运行。
8.如权利要求6所述的气体感测结构，其特征在于，所述气体感测结构由其控制和分析装置(7)根据在此控制和分析装置中、在NDIR-气体感测结构(1)的第一或第二运行模式中获悉的检测信号而能从第一或第二运行模式切换到第二或第一运行模式。
9.如权利要求8所述的气体感测结构，其特征在于，当在所述控制和分析装置(7)中获悉达到或超过目标气体浓度的预先给出的阈值时，所述气体感测结构能由其控制和分析装置(7)从第一运行模式切换到第二运行模式。
10.如权利要求8所述的气体感测结构，其特征在于，当在所述控制和分析装置(7)中获悉达到或超过目标气体浓度的绝对值或梯度时，所述气体感测结构能由其控制和分析装置(7)从第一运行模式切换到第二运行模式。
11.如权利要求6所述的气体感测结构，其特征在于，借助所述气体感测结构的控制和分析装置(7)，当在NDIR-气体感测结构(1)的第二运行模式中借助所述控制和分析装置(7)获悉达到或低于针对从所述NDIR-气体感测结构(1)的第一运行模式切换到第二运行模式所设的阈值或者针对从第二运行模式切换到第一运行模式所设的另一阈值时，所述NDIR-气体感测结构(1)从其第二运行模式返回到其第一运行模式。
12.如权利要求6所述的气体感测结构，其特征在于，
借助所述NDIR-气体感测结构的控制和分析装置(7)，当在所述NDIR-气体感测结构(1)的第二运行模式中借助所述控制和分析装置(7)获悉在从由所述NDIR-气体感测结构(1)的第一运行模式切换到第二运行模式起的预先给出的时间段期间未达到预先给出的警报阈值时，能调整预先给出的用于使所述NDIR-气体感测结构(1)的第一运行模式切换到第二运行模式或者使所述NDIR-气体感测结构(1)的第二运行模式切换到第一运行模式的阈值。
13.如权利要求7所述的气体感测结构，其特征在于，在停止或停用为了监测其内部空间(2)而装有所述气体感测结构的车辆之后，所述气体感测结构在预先给出的时间段内以可调节的比例间歇地在其第一运行模式和其第三运行模式之间运行。
14.如权利要求6所述的气体感测结构，其特征在于，当在所述NDIR-气体感测结构(1)的第二和/或第三运行模式中在其控制和分析装置中获悉达到或超过了预先给出的警报阈值时，借助所述NDIR-气体感测结构的所述控制和分析装置(7)使警报设备(8)和/或通风装置(9)运行。
15.如权利要求14所述的气体感测结构，其特征在于，在第三运行模式中，所述警报设备(8)和/或所述通风装置(9)仅在借助温度传感器(10)获悉超过了预先给出的温度阈值并且将超过了预先给出的温度阈值的指示传到所述控制和分析装置(7)时才运行。
16.如权利要求1所述的气体感测结构，其特征在于，借助所述控制和分析装置(7)、根据由针对检测信号预先给出的时间段和预先给出的阈值和警报值所定义的算法能自动调节所述气体感测结构。
17.一种将如权利要求1到16中任一项所述的气体感测结构用于获悉车辆的内部空间(2)中的CO2浓度或HC浓度的应用。
18.一种用于运行根据权利要求1到16中任一项所述的NDIR-气体感测结构(1)的方法，其中设有NDIR-气体感测结构(1)的至少两个运行模式，其中在NDIR-气体感测结构(1)的每个运行模式中，NDIR-气体感测结构(1)的红外辐射源(3,4)以不同的功率运行，其中在第一运行模式中红外辐射源(4)以较低的功率运行，而在第二运行模式中红外辐射源(3)以较高的功率运行。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，当达到或低于或超过预先给出的阈值和/或超过预先给出的时间段时，使NDIR-气体感测结构(1)从一个运行模式切换到另一运行模式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200522 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |