DE102004007946A1 - Gassensoranordnung in integrierter Bauweise - Google Patents
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gassensoranordnung mit mindestens einer Strahlung emittierenden Strahlungsquelle, einem Gasmessraum, der mit einem Messgas, das mindestens einen zu messenden Analyten enthält, befüllbar ist und mindestens einer die Strahlung detektierenden Detektoreinrichtung, die ein von der Anwesenheit und/oder der Konzentration des Analyten abhängiges Ausgangssignal erzeugt.
- Derartige Gassensoranordnungen sind für den Nachweis verschiedenster Analyte, beispielsweise Methan oder Kohlendioxid bekannt. Bekannte Gassensoren, wie sie beispielsweise in der
EP 0616207 A2 , der WO 00/55603 A1 oder in derDE 19925196 C2 gezeigt sind, basieren auf der Eigenschaft vieler mehratomiger Gase, Strahlung, insbesondere im infraroten Wellenlängenbereich, zu absorbieren. Dabei tritt diese Absorption in einer für das betreffende Gas charakteristischen Wellenlänge auf, z. B. für CO2 bei 4,24 μm. Mit Hilfe von derartigen Infrarotgassensoren ist es daher möglich, das Vorhandensein einer Gaskomponente und/oder die Konzentration dieser Gaskomponente festzustellen. Diese Gassensoren weisen eine Strahlungsquelle, eine Absorptionsstrecke, d. h. einen Messraum, und einen Strahlungsdetektor auf. Die von dem Strahlungsdetektor gemessene Strahlungsintensität ist ein Maß für die Konzentration des absorbierenden Gases. Dabei kann entweder eine breitbandige Strahlungsquelle verwendet werden und über ein Interferenzfilter oder Gitter die interessierende Wellenlänge eingestellt werden oder aber eine selektive Strahlungsquelle, beispielsweise eine Licht emittierende Diode oder ein Laser, in Kombination mit nicht wellenlängenselektiven Strahlungsempfängern eingesetzt werden. - Aus der Europäischen Patentanmeldung 0616207 A2 ist bekannt, die Energieeffizienz eines Infrarotgassensors dadurch zu steigern, dass die Strahlungsenergie der Strahlungsquelle durch einen Hohlspiegel in dem Punkt gebündelt wird, in dem sich der IR-Detektor befindet und dass weiterhin vor dem IR-Detektor ein trichterförmiger verspiegelter Tubus angeordnet ist, der jegliche einfallende Strahlung auf die sensitive Fläche des IR-Detektors fokussiert.
- Insbesondere die Kohlendioxiddetektion gewinnt im Kraftfahrzeugbereich heute zunehmend an Bedeutung. Dies ist zum einen dadurch bedingt, dass in Kraftfahrzeugen zur Erhöhung der Energieeffizienz bei Heizung und Klimatisierung der CO2-Gehalt der Innenraumluft überwacht wird, um nur bei Bedarf, das heißt, bei erhöhter CO2-Konzentration, eine Frischluftzufuhr über eine entsprechende Lüfterklappenansteuerung zu veranlassen. Zum anderen basieren moderne Klimaanlagen auf CO2 als Kühlmittel. Daher können CO2-Gassensoren eine Überwachungsfunktion im Zusammenhang mit austretendem CO2 bei eventuellen Defekten erfüllen.
- Insbesondere im Kraftfahrzeugbereich müssen derartige Sensoren höchste Anforderungen an Robustheit, Zuverlässigkeit und Miniaturisierbarkeit erfüllen.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine verbesserte Gassensoranordnung der eingangs genannten Gattung auszugeben, die bei verbesserter Energieausnutzung eine robuste und kompakte Bauweise sowie eine kostengünstige Herstellbarkeit besitzt.
- Diese Aufgabe wird durch eine Gassensoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 erfüllt. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Gassensoranordnung sind Gegenstand mehrerer Unteransprüche.
- Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass ein besonders kompakter und störsicherer Gesamtaufbau der Gassensoranordnung dadurch erreicht werden kann, dass ein Hohlspiegel und ein Tubus zumindest teilweise einstückig mit einem Gehäuse ausgebildet sind, in welchem die Strahlungsquelle, der Gasmessraum und die Detektoreinrichtung angeordnet sind, und dass der Hohlspiegel und der Tubus durch eine reflektierende Beschichtung eines Teils der Wandung des Gehäuses gebildet sind. Auf diese Weise kann durch eine starke Reduzierung der Anzahl der benötigten Einzelteile sowohl die Herstellung wie auch die Assemblierung der Gassensoranordnung verbilligt und vereinfacht werden. Die Möglichkeit, den gesamten Strahlengang, der auch als Lichtkanal bezeichnet wird, mit einer reflektierenden, das Licht bündelnden Beschichtung zu versehen, nützt die von der Strahlungsquelle gelieferte Strahlung einerseits optimal aus, und verhindert andererseits weitestgehend das Eindringen störender Streustrahlung von außen. Die reflektierende Beschichtung kann dabei beispielsweise eine Metallisierung, wie eine Goldbeschichtung, sein.
- Dadurch, dass das Gehäuse durch eine erste und eine zweite Halbschale gebildet ist, die so zusammengefügt sind, dass ein im wesentlichen geschlossener Gasraum gebildet ist, kann die Montage soweit vereinfacht werden, dass sie automatisiert erfolgen kann.
- Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die Strahlungsquelle und die Detektoreinrichtung wenigstens teilweise in der ersten Halbschale gehalten und diese ist wenigstens teilweise in der zweiten Halbschale aufgenommen. Auf diese Weise können bei der Montage zunächst die mechanisch empfindlichen Bauteile an der ersten Halbschale montiert werden und die zweite Halbschale kann eine Schutzfunktion gegenüber mechanischen Beanspruchungen erfüllen.
- In besonders raumsparender Art und Weise kann die erfindungsgemäße Gassensoranordnung in größere elektronische Systeme integriert werden, wenn sie so ausgeführt ist, dass sie auf einem gedruckten Schaltungsträger als Modul montierbar ist. Dies bietet außerdem den Vorteil, dass die erforderliche Auswerteelektronik, die das von der Detektoreinrichtung erzeugte Ausgangssignal weiterverarbeitet, auf dem selben Schaltungsträger, beispielsweise einer gedruckten Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) aufgebaut werden kann.
- Sieht man bei einem derartigen Gassensormodul an dem Gehäuse eine Dichtung vor, die im Zusammenwirken mit dem gedruckten Schaltungsträger den Gasmessraum gegenüber der Umgebung abdichtet, so bietet diese Lösung den Vorteil, dass ein Eindringen von Feuchte, Staub und Streulicht verhindert werden kann.
- Die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn die zu detektierende Strahlung eine Infrarotstrahlung ist und die mindestens eine Strahlungsquelle durch eine Infrarotstrahlungsquelle, vorzugsweise eine Licht emittierende Diode (LED), gebildet ist. Die Verwendung einer LED hat vor allem den Vorteil, dass auf Filteranordnungen zur Wellenlängenselektion verzichtet werden kann und damit die Anordnung weiter miniaturisiert und vereinfacht werden kann. Alternativ kann auch eine Lampe verwendet werden, die ein breitbandiges Lichtspektrum aussendet.
- Eine trichterförmige Ausgestaltung des verspiegelten Tubus bietet den Vorteil einer Fokussierung der Strahlung auf die sensitive Fläche der Detektoreinrichtung. Allerdings führt auch eine zylindrische Ausführung des verspiegelten Tubus bereits zu einer Lichtführung in Richtung auf den Detektor.
- Gemäß einer speziellen Ausführungsform weist die Gassensoranordnung eine Messstrahlungsquelle und eine Referenzstrahlungsquelle auf. Diese beiden Strahlungsquellen sind symmetrisch zu mindestens einer Symmetrieachse des Gasmessraumes angeordnet und die Detektoreinrichtung ist so auf dieser Symmetrieachse angeordnet, dass die Strahlengänge der Strahlungsquellen die gleiche effektive Weglänge zu der Detektoreinrichtung aufweisen. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise so betrieben werden, dass, wie in der
DE 19925196 C2 gezeigt, die Referenzstrahlungsquelle in zeitlichen Abständen zur Überprüfung des Alterungszustandes der Messstrahlungsquelle eingeschaltet wird. Abweichungen bezüglich der Ausgangssignale der Detektoreinrichtung bei eingeschalteter Referenzstrahlungsquelle und eingeschalteter Messstrahlungsquelle liefern Informationen über die Alterung der Messstrahlungsquelle, und diese kann gegebenenfalls ausgeglichen werden. Auf diese Weise kann insbesondere im Kraftfahrzeugbereich die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Gassensoranordnung wesentlich erhöht werden. - Um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen, kann weiterhin zur Überwachung der Temperatur in dem Gasmessraum mindestens ein Temperaturfühler vorgesehen sein.
- Eine besonders kostengünstige und mechanisch stabile Möglichkeit, das Gehäuse herzustellen, ist die Herstellung in Spritzgusstechnik aus Kunststoff. Dabei kann die reflektierende Beschichtung eine Metallisierung sein, die durch Sputtern, Bedampfen oder mittels Galvanotechnik aufgebracht wird. Es kann hier beispielsweise Gold zum Einsatz kommen.
- Die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung können vorteilhaft für die Detektion von Kohlendioxid, beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich, sowohl zur Überwachung auf aus Leckstellen austretendes CO2 wie auch zur Überprüfung der Luftgüte in einem Innenraum verwendet werden. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Gassensoranordnung aber auch für die Detektion beliebiger anderer Gase eingesetzt werden.
- Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten vorteilhaften Ausgestaltungen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
-
1 eine perspektivische geöffnete Darstellung einer erfindungsgemäßen Gassensoranordnung; -
2 eine Seitenansicht einer ersten Halbschale eines Gassensorgehäuses; -
3 eine Ansicht von unten auf die erste Halbschale des Gassensorgehäuses; -
4 eine Seitenansicht des Gassensorgehäuses; -
5 eine Ansicht von oben auf die erste Halbschale des Gassensorgehäuses; -
6 eine Ansicht von unten auf die zweite Halbschale des Gassensorgehäuses der1 ; -
7 eine Schnittdarstellung der zweiten Halbschale des Gassensorgehäuses entlang der Schnittlinie A-A der6 ; -
8 eine Ansicht von oben auf die zweite Halbschale des Gassensorgehäuses der1 ; -
9 eine Seitenansicht der zweiten Halbschale des Gehäuses; -
10 eine weitere Seitenansicht des Gehäuses aus1 ; -
11 eine Prinzipsskizze zur Berechnung eines optischen Hohlspiegels zur Strahlungsfokussierung. - Der Aufbau und die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung soll im Folgenden mit Bezug auf die Figuren genauer erläutert werden. Dabei sind, um die Übersicht zu bewahren, die Strahlungsquellen, in den vorliegenden Ausführungsbei spielen Lampen, die ein breitbandiges Lichtspektrum aussenden, oder aber Licht emittierende Dioden (LED) und ein Infrarotstrahlungsdetektor, nicht dargestellt.
- Wie in der
1 gezeigt, verwendet eine vorteilhafte Ausführungsform das Messprinzip einer Messstrahlungsquelle und einer Referenzstrahlungsquelle, die beide auf einen einzigen Detektor fokussiert sind. Allerdings kann die vorliegende Erfindung auch für nur eine einzige oder mehr als die gezeigten Strahlungsquellen und Detektoreinheiten angewendet werden. - Die erfindungsgemäße Gassensoranordnung
100 umfasst zwei Infrarotstrahlungsquellen (hier nicht dargestellt), die in zwei entsprechenden Öffnungen102 ,104 einer ersten Halbschale106 eines Gassensorgehäuses angeordnet sind. Ein in einer weiteren Öffnung108 der ersten Halbschale106 gehaltener Detektor (hier nicht dargestellt), wertet die eintreffende Infrarotstrahlung aus und liefert ein elektrisches Ausgangssignal in Abhängigkeit von der gemessenen Strahlung. Dabei hängt die auf dem Detektor eintreffende Strahlungsintensität von der Zusammensetzung des in einem Gasmessraum110 enthaltenen Gases ab. Wie aus der1 ersichtlich, wird der Gasmessraum110 durch das Zusammenfügen der ersten Gehäusehalbschale106 und der zweiten Gehäusehalbschale112 , die hierzu über die erste Halbschale106 gestülpt wird (siehe Pfeil114 ), gebildet. - Erfindungsgemäß ist die Innenseite des Gehäuses
106 ,112 so strukturiert, dass um die Strahlungsquellen herum Hohlspiegel116 ,118 ausgebildet sind, wobei die Öffnungen102 ,104 für die Strahlungsquellen so angeordnet sind, dass die von ihnen emittierte Strahlung am Ort der sensitiven Fläche der Detektoreinrichtung gebündelt wird. Zu diesem Zweck sind die Hohlspiegel116 ,118 mit einer reflektierenden Beschichtung, vorzugsweise einer Goldschicht, versehen. - Weiterhin wird die emittierte Strahlung durch jeweils einen zylindrischen, ebenfalls metallbeschichteten Tubus
120 ,122 geführt. Dabei enthält jeweils eine der beiden Halbschalen106 ,112 in etwa die Hälfte der Hohlspiegel116 ,118 und der Tuben120 ,122 . Die geschlossene Struktur wird durch Zusammenfügen der beiden Hälften gebildet. Die Längsachsen der beiden Tuben120 ,122 schließen dabei einen Winkel γ miteinander ein, der in der gezeigten symmetrischen Ausführungsform von der Mittelach se des Gasmessraumes110 halbiert wird. Durch diese Anordnung wird eine Strahlführung in Richtung auf den Detektor ermöglicht. - Durch ein Langloch
124 kann der Gasmessraum110 mit einem Gas befüllt werden. Durch eine weitere Öffnung126 hindurch kann ein Temperatursensor (hier nicht dargestellt) zur Überwachung der Temperatur in dem Gasmessraum110 eingeführt werden. - Die erfindungsgemäße Gassensoranordnung kann als komplettes Modul auf einer Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB)
128 montiert werden. Für eine mechanische Fixierung besitzt die erste Halbschale106 des Gehäuses Bohrungen130 ,132 . Damit kann eine Verschraubung mit der Leiterplatte128 erfolgen. Es könnte aber natürlich auch eine Verrastung oder dergleichen für die mechanische Fixierung vorgesehen sein. Für eine vollautomatisierte Montage könnten ein Temperatursensor und zwei Strahlungsquellen bereits auf der Leiterplatte128 angeordnet sein, bevor die erste Halbschale106 positioniert und mit der Leiterplatte128 verschraubt wird. Der Detektor wird in die Öffnung108 eingeführt und mittels einer Schraube (hier nicht dargestellt), die durch eine Gewindebohrung144 geschraubt werden kann, an der ersten Halbschale106 fixiert. - In einem nächsten Montagearbeitsgang wird die zweite Halbschale
112 über die erste Halbschale106 , in der auch bereits der Detektor fixiert ist, geschoben. Über weitere Gewindebohrungen134 ,136 ,138 und140 kann die zweite Halbschale112 ebenfalls sicher auf der Leiterplatte128 fixiert werden, um ein Eindringen von Feuchte, Staub und störendem Streulicht zu verhindern, ist in der hier gezeigten Ausführungsform eine umlaufende Dichtung142 an der zweiten Halbschale des Gehäuses vorgesehen, die in Anlage mit der Leiterplatte128 kommt. - Die
2 bis5 zeigen verschiedene Seitenansichten der ersten Halbschale106 des Gehäuses. Dabei wird insbesondere aus der Draufsicht der5 die Strahlenführung ersichtlich: Diese beiden Strahlungsquellen sind symmetrisch zu einer Symmetrieachse146 des Gasmessraumes110 angeordnet und die Detektoreinrichtung ist so auf dieser Symmetrieachse146 angeordnet, dass die Strahlengänge der Strahlungsquellen die gleiche effektive Weglänge zu der Detektoreinrichtung aufweisen. Die gezeigte Anordnung kann beispielsweise so betrieben werden, dass, wie in derDE 19925196 C2 gezeigt, eine der beiden Strahlungsquellen als Messstrahlungsquelle und die andere als Referenzstrahlungsquelle dient. Die Referenzstrahlungsquelle kann in zeitlichen Abständen zur Überprüfung des Alterungszustandes der Messstrahlungsquelle eingeschaltet werden. Abweichungen bezüglich der Ausgangssignale der Detektoreinrichtung bei eingeschalteter Referenzstrahlungsquelle und eingeschalteter Messstrahlungsquelle liefern Informationen über die Alterung der Messstrahlungsquelle, und diese kann gegebenenfalls ausgeglichen werden. Auf diese Weise kann insbesondere im Kraftfahrzeugbereich die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Gassensoranordnung wesentlich erhöht werden. Die Öffnungen102 und104 , in denen die Strahlungsquellen angeordnet sind, befinden sich in der Nähe des Brennpunktes der Hohlspiegel116 ,118 . Daher kann die emittierte Strahlung auf die sensitive Fläche des Detektors fokussiert werden. Die beiden verspiegelten Tuben120 ,122 leiten ebenfalls einen möglichst großen Teil der Strahlung zum Detektor. - Die
6 bis10 zeigen verschiedene Ansichten der zweiten Halbschale112 . Insbesondere aus den6 ,7 und8 wird deutlich, wo der Gaseintritt für das zu analysierende Messgas erfolgt. Dieser Gaseintritt kann, um einer Verunreinigung und frühzeitigen Alterung der Sensoranordnung vorzubeugen, mit geeigneten Filtermaterialien abgedeckt werden. - Mit Bezug auf die
11 soll nunmehr auf die geometrische Berechnung des Hohlspiegels116 ,118 eingegangen werden. Für eine bestmögliche Signalausbeute am Detektor wird die Strahlungsquelle im Punkt B angeordnet. Dieser Punkt ist in der Nähe des Brennpunktes F des Hohlspiegels116 und ermöglicht eine Fokussierung des Strahls in dem Punkt A, welcher der Position des Detektors entspricht. Dabei hat der Detektor eine sensitive Fläche von etwa 1,5 mm2. Mit den Bezeichnungen aus11 gelten die Abbildungsgleichungen (1) und (2): -
-
- Mit der gezeigten erfindungsgemäßen Gassensoranordnung ist es möglich, die Signalausbeute an dem Detektor zu optimieren und gleichzeitig für eine stark vereinfachte automatisierbare Montage zu sorgen. Daher kann die erfindungsgemäße Gassensoranordnung vor allem im Zusammenhang mit den Raumumgebungsbedingungen eines Kraftfahrzeugeinsatzes vorteilhaft genutzt werden.
Claims (12)
- Gassensoranordnung mit mindestens einer Strahlung emittierenden Strahlungsquelle, einem Gasmessraum (
110 ), der mit einem Messgas, das mindestens einen zu messenden Analyten enthält, befüllbar ist, mindestens einer die Strahlung detektierenden Detektoreinrichtung, die ein von der Anwesenheit und/oder der Konzentration des Analyten abhängiges Ausgangssignal erzeugt, wobei der Gasmessraum (110 ) mindestens einen Hohlspiegel (116 ,118 ) aufweist und die mindestens eine Strahlungsquelle in der Nähe des Brennpunktes dieses Hohlspiegels so angeordnet ist, dass sich eine Bündelung der emittierten Strahlung in einem Bereich ergibt, in dem die Detektoreinrichtung angeordnet ist, und der Gasmessraum weiterhin mindestens einen die Strahlung führenden Tubus (120 ,122 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlspiegel (116 ,118 ) und der Tubus (120 ,122 ) zumindest teilweise einstückig mit einem Gehäuse (106 ,122 ) ausgebildet sind, in dem die Strahlungsquelle, der Gasmessraum und die Detektoreinrichtung angeordnet sind, und dass der Hohlspiegel (116 ,118 ) und der Tubus (120 ,122 ) durch eine reflektierende Beschichtung zumindest eines Teils einer Wandung des Gehäuses (106 ,122 ) gebildet sind. - Gassensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse durch eine erste (
106 ) und eine zweite (112 ) Halbschale gebildet ist, die so zusammengefügt sind, dass ein im Wesentlichen geschlossener Gasmessraum (110 ) gebildet ist. - Gassensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle und die Detektoreinrichtung wenigstens teilweise in der ersten Halbschale (
106 ) gehalten sind und die erste Halbschale (106 ) wenigstens teilweise in der zweiten Halbschale (112 ) aufgenommen ist. - Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie so ausgeführt ist, dass sie auf einem gedruckten Schaltungsträger (
128 ) montierbar ist. - Gassensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine Dichtung (
142 ) aufweist, die im Zusammenwirken mit dem gedruckten Schaltungsträger (128 ) den Gasmessraum (110 ) gegenüber der Umgebung abdichtet. - Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zu detektierende Strahlung Infrarotstrahlung ist und die mindestens eine Strahlungsquelle durch eine Infrarotstrahlungsquelle, vorzugsweise eine lichtemittierende Diode oder eine ein breitbandiges Lichtspektrum emittierende Lampe, gebildet ist.
- Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tubus (
120 ,122 ) trichterförmig ausgeführt ist. - Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Messstrahlungsquelle und mindestens eine Referenzstrahlungsquelle vorgesehen sind, die symmetrisch zu mindestens einer Symmetrieachse des Gasmessraumes (
110 ) angeordnet sind, und dass die Detektoreinrichtung so auf dieser Symmetrieachse angeordnet ist, dass die Strahlengänge der Strahlungsquellen die gleiche effektive Weglänge zu der Detektoreinrichtung aufweisen. - Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperaturfühler zur Überwachung der Temperatur in dem Gasmessraum (
110 ) vorgesehen ist. - Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (
106 ,112 ) vorzugsweise in Spritzgusstechnik aus Kunststoff herstellbar ist und die reflektierende Beschichtung eine Metallisierung ist. - Gassensoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung, vorzugsweise eine Goldschicht, durch Sputtern, Bedampfen oder mittels Galvanotechnik abgeschieden ist.
- Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu eingerichtet ist, gasförmige Analyten, vorzugsweise Kohlendioxid, nachzuweisen und/oder deren Konzentration zu bestimmen.
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