DE102005055860B3 - Gassensoranordnung mit Lichtkanal in Gestalt eines Kegelschnittrotationskörpers - Google Patents

Gassensoranordnung mit Lichtkanal in Gestalt eines Kegelschnittrotationskörpers Download PDF

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Abstract

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 mit mindestens einer die Strahlung detektierenden Detektoreinrichtung, die ein von der Anwesenheit und/oder der Konzentration des Analyten abhängiges Ausgangssignal erzeugt. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf derartige Gassensoranordnungen in miniaturisierter Bauweise, wie sie beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich einsetzbar sind. Um eine verbesserte Gassensoranordnung der eingangs genannten Gattung anzugeben, die bei robuster und kompakter Bauweise sowie kostengünstiger Herstellbarkeit dennoch eine gesteigerte Lichtausbeute sicherstellt, weist der Gasmessraum (110) einen Hohlspiegel auf, der durch eine reflektierende Innenwandung des Gehäuses (106, 112) gebildet ist und die Innenwandung hat wenigstens teilweise die Gestalt eines durch einen Kegelschnitt erzeugten Rotationskörpers, der so ausgebildet ist, dass sich eine Bündelung der emittierten Strahlung in einem Bereich (116) ergibt, in dem die Detektoreinrichtung (108) angeordnet ist.

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 mit mindestens einer die Strahlung detektierenden Detektoreinrichtung, die ein von der Anwesenheit und/oder der Konzentration des Analyten abhängiges Ausgangssignal erzeugt. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf derartige Gassensoranordnungen in miniaturisierter Bauweise, wie sie beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich einsetzbar sind.
  • Gassensoranordnungen sind für den Nachweis verschiedenster Analyten, beispielsweise Methan oder Kohlendioxid, bekannt und z. B. in der offengelegten europäischen Patentanmeldung EP 1 566 626 A1 offenbart. Dabei basieren diese Gassensoranordnungen auf der Eigenschaft vieler mehratomiger Gase, Strahlung, insbesondere im infraroten Wellenlängenbereich, zu absorbieren. Diese Absorption tritt in einer für das betreffende Gas charakteristischen Wellenlänge auf, beispielsweise für CO2 bei 4,24 μm. Mit Hilfe solchen Infrarotgassensoren ist es daher möglich, das Vorhandensein einer Gaskomponente und/oder die Konzentration dieser Gaskomponente zu erfassen.
  • Gassensoranordnungen weisen üblicherweise eine Strahlungsquelle, eine Absorptionsstrecke, die auch als Messraum oder Lichtkanal bezeichnet wird, 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 es kann eine selektive Strahlungsquelle, beispielsweise eine Licht emittierende Diode (LED) oder ein Laser, in Kombination mit nicht wellenlängenselektiven Strahlungsempfängern eingesetzt werden.
  • 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, d. h. 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 aber derartige Sensoren höchste Anforderungen an Robustheit, Zuverlässigkeit und vor allem Miniaturisierbarkeit erfüllen.
  • Aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 566 626 A1 ist bekannt, die Detektoreinheit und die Strahlungsquelle so in einem Gehäuse anzuordnen, dass verspiegelte Innenflächen dieses Gehäuses einen das Licht zum Detektor führenden Lichtkanal bilden. Dabei ist jeder Strahlungsquelle ein separater, aus einem kalottenförmigen Hohlspiegel und einem Tubus gebildeter Lichtkanal zugeordnet.
  • Die in dieser Druckschrift gezeigte Anordnung weist jedoch den Nachteil auf, dass im Bereich des maximal zulässigen Einfallswinkels abweichend zur Hauptachse des Detektors die Lichtausbeute vergleichsweise gering ist.
  • Die Britische Offenlegungsschrift GB 2045456 A offenbart eine Vorrichtung zum Nachweis von Aerosolen mittels Lichtstreuung mit einer zylinderförmigen Messkammer, durch die ein Strahl parallel gebündelten Lichts verläuft, wobei die Messkammer einen teilweise elliptischen Querschnitt zum Bündeln der Streustrahlung auf eine oder eine Reihe von Detektoreinheiten aufweist.
  • Die Europäische Patentanmeldung EP 0148497 A2 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Führen und Sammeln des Lichts, das von einer Messkammer ausgesandt wird oder zum Anregen chemischer Prozesse in einer Probe, die in einem Behältnis, beispielsweise einer Küvette, enthalten ist. Dabei ist ein der Reflektor, der beispielsweise als Rotationsellipsoid vorgesehen ist, aber nicht die Innenwandung des eigentlichen Gasmessraumes, sondern von diesem stets getrennt. Der Gasmessraum wird gemäß dieser Druckschrift stets durch eine Küvette, in welche das zu analysierende Material einfüllbar ist, gebildet.
  • Aus der JP 10019779 A (PAJ-Abstr.) ist eine Messvorrichtung zum Erfassen schwacher Fluoreszenzstrahlung bekannt, bei der eine Probenzelle in einem Brennpunkt eines rotationsparabolischen Spiegels angeordnet ist und der entsprechende Detektor sich auf einer Achse der parabolischen Ebene befindet. Dabei ist eine zusätzliche Linse vorgesehen, um die parallel verlaufende Strahlung auf den Detektor zu fokussieren.
  • Aus der US 3946239 A ist eine als Ellipsoid ausgestaltete Durchflusskammer mit reflektierende Innenwänden bekannt, bei der eine Flüssigkeit, welche zu detektierende Zellen enthält, in eine Messkammer einströmt, wobei ein Laserstrahl auf einen ersten Brennpunkt der Messkammer fokussiert wird und die in Anregung auf den Laserstrahl erzeugte sekundäre Fluoreszenzstrahlung durch ein Lichtleitelement, das in der Nähe eines zweiten Brennpunkts der Messkammer angeordnet ist, zu einem externen Detektor geleitet wird. Weiterhin wird die Fluoreszenz in dieser Messflüssigkeit berührungslos über einen Laserstrahl erzeugt. Die eigentliche Lichtquelle befindet sich nicht im ersten Brennpunkt und es wird auch nicht die emittierte Strahlung, sondern die sekundär generierte Fluoreszenzstrahlung an dem Detektor detektiert. Auch ist gemäß dieser Druckschrift die Detektoreinrichtung als solche nicht in der Messkammer integriert, sondern lediglich ein lichtführendes Element.
  • Die GB 2231951 A offenbart eine zylindrische Messkammer, nicht jedoch einen Rotationskörper. Auch bei dieser Druckschrft handelt es sich um den Nachweis von gestreuter Strahlung, nicht jedoch um eine Absorptionsmessung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der die emittierte Strahlung unmittelbar auf einen Detektor fällt.
  • Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10124055 A1 zeigt ein Gerät zur optischen Untersuchung von Gasen, bei dem sowohl die Lichtquelle wie auch die Detektoreinheit außerhalb einer zylinderförmigen Messkammer angeordnet sind und die Innenwandung der Messkammer so ausgeführt ist, dass die einfallende Strahlung mehrfach reflektiert und anschließend wieder durch die Öffnung, durch welche die anregende Strahlung eingefallen ist, ausgekoppelt wird.
  • Die DE 4104316 A1 offenbart eine kugelförmige Probenküvette mit einem Hohlspiegel, die eine erste Öffnung für den Eintritt einer Anregungsstrahlung und eine zweite Öffnung für das Austreten der angeregten Strahlung aufweist.
  • Die DE 10360111 B3 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung von Gasen oder Gasgemischen mittels Laserdiodenspektroskopie. Dabei wird ein Lichtstrahl mit einer schmalen Bandbreite der Frequenz auf einen Parabolspiegel geführt, in dessen Brennpunkt das Messobjekt angeordnet ist. Ein zweiter Parabolspiegel ist so angeordnet, dass er dem ersten Parabolspiegel gegenüber liegt und sein Brennpunkt mit dem Messobjekt zusammenfällt. Der Lichtstrahl wird dann nach einer Auskopplung zu einem Messwertaufnehmer, beispielsweise einem Spektrometer geführt. Dabei erfolgen die Einkopplung des Laserstrahls wie auch die Auskopplung jeweils über Durchbohrungen im Parabolspiegelbereich.
  • Daher besteht die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, darin, eine verbesserte Gassensoranordnung der eingangs genannten Gattung anzugeben, die bei robuster und kompakter Bauweise sowie kostengünstiger Herstellbarkeit dennoch eine gesteigerte Lichtausbeute und eine möglichst hohe Selektivität sicherstellt.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Gassensoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 erfüllt. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass die Lichtausbeute bei einfacher Geometrie des Lichtkanals und fertigungsgerechter Anordnung der Bauelemente signifikant gesteigert werden kann, wenn ein Gehäuse, in dem die Strahlungsquelle, der Gasmessraum und die Detektoreinrichtung angeordnet sind, eine reflektierende Innenwandung aufweist, die einen Hohlspiegel bildet und wenigstens teilweise die Gestalt eines durch einen Kegelschnitt erzeugten Rotationskörpers hat, der so ausgebildet ist, dass sich eine Bündelung der emittierten Strahlung in einem Bereich ergibt, in dem die Detektoreinrichtung angeordnet ist. Auf diese Weise kann bei gleicher Lampenintensität eine wesentlich höhere Lichtausbeute erreicht werden. Darüber hinaus kann der Lichtanteil außerhalb des maximal zulässigen Einfallswinkels reduziert werden und daher können die verschiedenen Frequenzbereiche klarer voneinander getrennt werden. Dabei hängt der maximal zulässige Einfallswinkel unter anderem von der Wahl des Filters ab, der vor dem Detektor angeordnet ist, und kann beispielsweise 20° betragen. Fertigungstechnisch lässt sich eine derartige Gehäuseform mit vergleichsweise einfach gestalteten Werkzeugen realisieren.
  • Dabei kann der Rotationskörper durch ein Rotationsellipsoid, ein Rotationsparaboloid oder ein Rotationshyperboloid wie auch durch Teile dieser Körper gebildet sein.
  • Im geometrisch einfachsten Fall befindet sich die Strahlungsquelle in einem ersten Brennpunkt eines Rotationsellipsoids, während sich die Detektoreinrichtung in einem zweiten Brennpunkt des Rotationsellipsoids befindet, in welchem die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung fokussiert ist.
  • Diese Anordnung hat allerdings den Nachteil, dass eine Sensorfläche der Detektoreinheit quer zu einer Längsachse der Gassensoranordnung ausgerichtet werden muss und daher nicht auf einfache Weise auf derselben Leiterplatte wie die Strahlungsquelle montiert werden kann. Daher kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu der rotationselliptischen Ausformung des Gasmessraumes mindestens ein Umlenkspiegel vorgesehen sein, der die gebündelte Strahlung nochmals umlenkt, damit sie auf die Sensorfläche der Detektoreinrichtung trifft. Ein solcher Umlenkspiegel ist vorzugsweise als planer Spiegel ausgebildet. Es ist aber klar, dass bei entsprechendem Bedarf auch ein gebildet. Es ist aber klar, dass bei entsprechendem Bedarf auch ein weiterer Hohlspiegel vorgesehen sein kann.
  • 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 der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung weitgehend vereinfacht werden, so dass sie auch automatisiert erfolgen kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die Strahlungsquelle und die Detektoreinrichtung wenigstens teilweise in der ersten Halbschale gehalten. Auf diese Weise sind die mechanisch empfindlichen Bauteile während der weiteren Montageschritte in der ersten Halbschale geschützt.
  • Auf besonders raumsparende Art und Weise kann die erfindungsgemäße Gassensoranordnung in übergeordnete 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 beispielsweise das von der Detektoreinrichtung erzeugte Ausgangssignal weiterverarbeitet, auf demselben Schaltungsträger, z. B. einer gedruckten Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB), aufgebaut 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 Lampe, die ein breitbandiges Lichtspektrum aussendet, gebildet ist. Alternativ kann auch eine Licht emittierende Diode (LED) verwendet werden, wobei letztere den Vorteil hat, dass auf Filteranordnungen zur Wellenlängenselektion verzichtet werden kann.
  • Gemäß einer speziellen vorteilhaften Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Gassensoranordnung eine Messstrahlungsquelle und eine Referenzstrahlungsquelle auf. Diese beiden Strahlungsquellen sind symmetrisch zu mindestens einer Geomet rieachse des Gasmessraumes angeordnet und die Detektoreinrichtung ist auf dieser Symmetrieachse so 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 deutschen Patentschrift DE 199 25 196 C2 gezeigt, die Referenzstrahlungsquelle in zeitlichen Abständen zur Überprüfung des Alterungszustands der Strahlungsquelle eingeschaltet wird. Abweichungen bezüglich der Ausgangssignale der Detektoreinrichtung bei eingeschalteter Referenzstrahlungsquelle und ausgeschalteter Messstrahlungsquelle liefern Informationen über die Alterung der Messstrahlungsquelle und diese kann gegebenenfalls ausgeglichen werden. Insbesondere im Kraftfahrzeugbereich kann somit die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Gassensoranordnung wesentlich erhöht werden.
  • Ordnet man die beiden Strahlungsquellen so an, dass sie im Wesentlichen nebeneinander stehen und ihre Strahlengänge nur einen vergleichsweise kleinen Winkel einschließen, kann die Fertigung der Anordnung deutlich vereinfacht werden. Um dabei eine möglichst weitgehende Bündelung der jeweiligen Strahlung im Bereich der Detektoreinheit zu erreichen, kann die rotationselliptische Form des Gasmessraumes durch einen Verbindungsbereich zwischen den beiden Strahlungsquellen und der Detektoreinrichtung unterbrochen sein. Dabei ist dieser Verbindungsbereich gemäß einer ersten Ausführungsform als Teil eines elliptischen Zylindermantels geformt, der in longitudinaler Richtung, d. h. in Richtung der Verbindung zwischen Strahlungsquelle und Detektoreinheit, der Krümmung des Rotationsellipsoids folgt, in der transversalen Richtung aber nicht gekrümmt ist, wobei eine ebene Projektion dieses Verbindungsbereichs rechteckförmig ist. Auf diese Weise befindet sich jeweils jede der beiden Strahlungsquellen in dem Brennpunkt der ihr am nächsten liegenden rotationsellipsoiden Innenfläche des Gehäuses und ihre Strahlung wird besonders effektiv gebündelt.
  • Der Nachteil dieser Anordnung besteht allerdings darin, dass am Ort der Detektoreinrichtung ebenfalls zwei Brennpunkte auftreten. Um diesen Nachteil zu überwinden, kann gemäß einer zweiten Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Innenwan dung des Gehäuses so ausgeführt ist, dass der als elliptischer Zylindermantel geformte Verbindungsbereich eine trapezförmige ebene Projektion aufweist. Somit befindet sich wiederum jede der beiden Strahlungsquellen in dem Brennpunkt der ihr zugeordneten Hälfte des Rotationsellipsoids, während die zweiten Brennpunkte zusammenfallen und im Bereich einer Sensorfläche der Detektoreinrichtung liegen.
  • 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 kommen besonders bei einer Detektion von Kohlendioxid, beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich, sowohl zur Überwachung auf aus Leckstellen austretendes CO2, wie auch zur Überprüfung der Luftqualität in einem Innenraum, zum Tragen. 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 Einzelheite zugszeichen versehen. Es zeigen:
  • 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Gassensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform;
  • 2 eine perspektivische Darstellung eines Teils der Anordnung aus 1;
  • 3 einen Längsschnitt durch die Anordnung aus 1;
  • 4 eine perspektivische, geöffnete Darstellung einer Gassensoranordnung gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform;
  • 5 die Anordnung aus 4 unter Berücksichtigung der Lichtstrahlenführung;
  • 6 einen Längsschnitt durch die Anordnung aus 4 und 5;
  • 7 eine Draufsicht auf die Anordnung der 4 unter Einbeziehung verborgener Linien;
  • 8 eine schematische Darstellung des Strahlengangs in einem rotationselliptisch geformten Gasmessraum;
  • 9 eine schematische Darstellung des Strahlengangs in einem teilweise als Rotationsparaboloid geformten Gasmessraum.
  • Der Aufbau und die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung soll im Folgenden mit Bezug auf die Figuren genauer erläutert werden. Dabei verwenden die beiden vorteilhaften Ausführungsformen ein Differenzmessprinzip mit einer Messstrahlungsquelle und einer Referenzstrahlungsquelle, die beide auf einen einzigen Detektor fokussiert sind. Allerdings können die erfindungsgemäßen Prinzipien auch für nur eine einzige oder mehr als die gezeigten Strahlungsquellen und Detektoreinheiten angewendet werden.
  • Die erfindungsgemäße Gassensoranordnung 100 umfasst gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform zwei Infratrotstrahlungsquellen 102, 104, die in einer ersten Halbschale 106 eines Gehäuses angeordnet sind. Ein ebenfalls in der ersten Halbschale 106 gehaltener Detektor 108, der beispielsweise ein Pyrodetektor sein kann, wertet die eintreffende Infrarotstrahlung aus und liefert ein elektrisches Aus gangssignal in Abhängigkeit von der gemessenen Strahlung. Dabei hängt die auf dem Detektor 108 eintreffende Strahlungsintensität von der Zusammensetzung des in einem Gasmessraum 110 enthaltenen Gases ab. Wie aus 1 ersichtlich, wird der Gasmessraum 110 durch das Zusammenfügen der ersten Gehäusehalbschale 106 und einer zweiten Gehäusehalbschale 112 gebildet.
  • Erfindungsgemäß ist die Innenwandung des Gasmessraums 110 mit Gold bedampft und dadurch verspiegelt und hat die Form eines Rotationsellipsoids, wobei die Strahlungsquellen 102, 104 in einem ersten Brennpunkt 114 angeordnet sind und der zweite Brennpunkt 116 sich in der Nähe der Detektoreinheit 108 befindet. In 1 ist ein longitudinaler Schnitt durch die erfindungsgemäße Gasmessanordnung gezeigt und zur Verdeutlichung des Prinzips sind die Lichtstrahlen 105 mit eingezeichnet.
  • Wie aus dem Verlauf der Lichtstrahlen 105 erkennbar, ergibt sich erfindungsgemäß gemäß den optischen Gesetzen aus der rotationselliptischen Ausformung des Gasmessraumes 110 eine wesentlich verbesserte Bündelung der Strahlung im Bereich des Detektors 108. Allerdings muss in dem zweiten Brennpunkt entweder noch ein weiterer Umlenkspiegel vorgesehen sein, um die Strahlung auf einen parallel zu einer Längsachse der Anordnung ausgerichteten Detektor zu leiten, oder der Detektor muss quer zur Longitudinalachse der Sensoranordnung eingebaut werden.
  • Bei der in 1 gezeigten Gassensoranordnung 100 ist in der zweiten Halbschale 112 ein Gaseinlass 118 vorgesehen, der mit einem Filter 120 gegen eventuelle Schmutzpartikel ausgestattet ist.
  • Die erste Halbschale 106 ist zusammen mit der Strahlungsquelle 102, 104 und der Detektoreinheit 108 auf einer ersten gedruckten Schaltung, beispielsweise einem Printed Circuit Board (PCB) 122 angeordnet. Die zu der Detektoreinheit 108 gehörige Signalauswerteelektronik ist auf einer zweiten Leiterplatte 124 angeordnet und mit Anschlüssen 126 der Detektoreinheit 108 elektrisch kontaktiert. Zum Schutz vor Staub, Umwelteinflüssen und unerwünschtem Streulicht ist die gesamte Anordnung zusätzlich noch von einem Umgehäuse 128 gekapselt. Dieses Umgehäuse erlaubt auch eine wesentlich dünnwandigere Herstellung der Halbschalen 106, 112, da die mechanische Stabilität von dem Umgehäuse 128 sichergestellt wird. Selbstverständlich könnte auf dieses zusätzliche Umgehäuse 128 aber auch verzichtet werden.
  • Es lässt sich allgemein zeigen, dass für eine klare Trennung der verschiedenen Frequenzbereiche nur der Lichtanteil mit einer Abweichung von 0° bis zu einem maximal zulässigen Einfallswinkel von der Hauptachse des Pyrodetektors ausgewertet werden sollte. Dieser maximal zulässige Einfallswinkel hängt unter anderem von der Wahl des wellenlängenselektiven Filters vor der Detektoreinheit ab, welcher wiederum entsprechend der interessierenden Lichtfrequenzabhängig von dem zu detektierenden Analyten ausgewählt wird. Bei der gezeigten Anordnung beträgt der maximal zulässige Einfallswinkel beispielsweise etwa 20°, es sind aber auch andere Werte möglich. Deshalb wurde in der in 1 gezeigten Ausführungsform eine Abschirmung 130 um den Detektor herum angeordnet, die das Auftreffen von Strahlen mit einer Abweichung von mehr als 20° von der Hauptachse 132 auf den Detektor 108 verhindert. Allerdings kann die Abschirmung 130 auch entfallen.
  • 2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Ausführungsform aus 1, wobei zur Wahrung der Übersichtlichkeit die obere Gehäusehalbschale 112 und das Umgehäuse 128 nicht dargestellt sind. Wie aus dieser Darstellung zu entnehmen ist, sind die beiden IR-Lampen 102, 104 nebeneinander angeordnet. Um zu ermöglichen, dass jede der beiden Lampen 102, 104 bezüglich eines ihr zugeordneten Bereichs des Rotationsellipsoids im ersten Brennpunkt 114 angeordnet ist, ist zwischen dem Detektor 108 und den Strahlungsquellen 102, 104 entsprechend dem Abstand der Strahlungsquellen 102, 104 ein Verbindungsbereich 134 eingefügt, der in Richtung der longitudinalen Achse 132 der Krümmung des Rotationsellipsoids folgt, quer zu dieser Richtung aber keine Krümmung aufweist. Bei der hier gezeigten Ausführungsform verlaufen die longitudinalen Begrenzungen 135, 136 des Verbindungsbereichs 134 im Wesentlichen parallel zueinander, wie auch die Strahlengänge der beiden Lampen 102, 104 im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die Abschirmung 130 ist um den Detektor 108 herum angeordnet, so dass nur Strahlen von einer Abweichung von 0° bis ca. 20° von der Hauptachse 132 bis in den Detektorbe reich gelangen. Andere Werte für den maximal zulässigen Einfallswinkel sind aber, wie erwähnt, entsprechend der zu detektierenden Gaskomponente ebenfalls möglich.
  • 3 zeigt eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die Anordnung der 1, wobei nicht sichtbare Linien gestrichelt hinzugefügt wurden, um die wesentlichen Bestandteile genauer herauszuarbeiten. Wie aus dieser Figur deutlich wird, weist die Detektoreinrichtung 108 einen Sensorbereich 138 auf, der im Wesentlichen parallel zur Hauptachse 132 liegt und es muss daher, wie aus der 1 deutlich wird, im Bereich 116 ein zusätzlicher Umlenkspiegel vorgesehen sein, um die Strahlung, die im Brennpunkt 116 gebündelt ist, auf den Sensorbereich 138 umzulenken. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die beiden IR-Strahlungsquellen 102, 104 nebeneinander angeordnet und die longitudinalen Begrenzungen 135, 136 des Verbindungsbereiches 134 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Jede der beiden Strahlungsquellen befindet sich damit im Brennpunkt einer ihr zugehörigen Hälfte des rotationselliptischen Gasmessraumes 110. Diese Variante stellt eine montagetechnisch sehr einfach handhabbare Lösung dar, hat aber den Nachteil, dass die Bündelung im Sensorbereich 138 ebenfalls in zwei Brennpunkten erfolgt.
  • Deshalb verwendet eine verbesserte Ausführungsform, die mit Bezug auf die 4 bis 7 im Detail erläutert werden soll, eine Strahlenführung der beiden IR-Strahlungsquellen bei der, wie aus der Draufsicht der 7 ersichtlich, der Verbindungsbereich 134 so geformt ist, dass seine longitudinalen Begrenzungen 135, 136 einen Winkel miteinander einschließen, der dem Winkel entspricht, den die Mittelachsen der Strahlungsquellen 102, 104 miteinander einschließen. Auf diese Weise werden zwei rotationselliptische Bereiche des Gasmessraums 110 gebildet, die unterschiedliche erste Brennpunkte 114, 115 aufweisen, aber nur einen zweiten Brennpunkt 116, der sich im Bereich der Detektoreinheit 108 befindet.
  • Ein entlang der longitudinalen Mittelachse 132 der Gassensoranordnung geöffnetes Perspektivbild der zweiten Ausführungsform ist in 4 dargestellt. Dabei besitzt die Innenwandung des Gasmessraums nur noch teilweise in Gestalt eines Rotationsel lipsoids und es ist im Bereich des zweiten Brennpunkts 116 des Rotationsellipsoids ein planer Umlenkspiegel 140 angeordnet. Wie in der Zusammenschau mit der Darstellung der 5 und dem Schnittbild der 6, in denen schematisch die Lichtstrahlen 105 eingetragen sind, erkennbar, ist der Umlenkspiegel 140 so über der Detektoreinrichtung 108 angeordnet, dass die Lichtstrahlen, die sich in dem zweiten Brennpunkt 116 treffen würden, statt dessen auf der Sensoroberfläche 138 fokussiert auftreffen. Zur Verdeutlichung des Funktionsprinzips sind in dieser Darstellung sowohl die reellen wie auch die virtuellen Strahlengänge eingezeichnet. Der Brennpunkt 116 ist gemäß dieser Ausführungsform nurmehr ein virtueller Brennpunkt, wohingegen bei der in 1 dargestellten Ausführungsform die Lichtstrahlen sich tatsächlich auch in dem reellen Brennpunkt 116 treffen.
  • Die vorliegende erfindungsgemäße miniaturisierte Lösung hat außerdem auch den Vorteil, dass alle strahlführenden optischen Elemente, wie Hohlspiegel und Umlenkspiegel, einstückig aus dem Gehäuse 106, 112 durch Metallisieren oder sonstiges Beschichten der entsprechend geformten Halbschalen hergestellt werden können. Wie aus der Darstellung der 4 ersichtlich, ist in einem Bereich unterhalb der Detektoreinrichtung 108 ein weiterer Umlenkspiegel 142 vorgesehen. Dieser Umlenkspiegel erlaubt eine weitere Steigerung der Lichtausbeute, indem er Lichtstrahlen, die auf ihn treffen, auf die gegenüberliegende rotationselliptische Innenwandung umlenkt, von wo die Strahlung wiederum auf den Umlenkspiegel 140 fokussiert werden kann.
  • Im Folgenden soll mit Bezug auf die 1 bis 7 die Montage der Gassensoranordnung 100 im Einzelnen erläutert werden.
  • In einem ersten Montageschritt werden die Detektoreinheit 108 und die Infrarotstrahlungsquellen 102, 104 auf einem Schaltungsträger 122 montiert. Ein zweiter Schaltungsträger 124, auf dem weitere elektronische Bauelemente, wie sie beispielsweise für die Sensorsignalauswertung und die Ansteuerung der Infrarotstrahlungsquellen erforderlich sind, montiert sind, wird mit den Anschlüssen 126 des Detektors und entsprechend auch der Infrarotstrahlungsquellen verbunden.
  • In einem nächsten Verfahrensschritt wird die erste Halbschale 106 des Gehäuses auf dem Schaltungsträger 122 montiert, so dass die Strahlungsquellen 102, 104 und die Detektoreinheit 108 in entsprechenden Vertiefungen gehalten sind. Die Gehäusehalbschale 106 ist dabei so geformt, dass sie einen ersten Teil des rotationselliptischen Messraumes 110 bildet. Um ausreichend Bauraum für die geometrische Erstreckung des Messraumes 110 quer zur Längsachse 132 bereitzustellen, ist in dem Schaltungsträger 122 eine entsprechende Öffnung, in die der Messraum eintauchen kann, vorgesehen.
  • In einem nächsten Arbeitsschritt wird die zweite Halbschale 112 auf der ersten Halbschale positioniert und beispielsweise mittels einer Verschraubung fixiert. Falls erforderlich, kann zum zusätzlichen Schutz vor mechanischer Beanspruchung und eventuell eindringendem störendem Streulicht ein Umgehäuse 128 vorgesehen sein. Allerdings kann, wie bei der Ausführungsform aus den 4 bis 7, das Umgehäuse bereits in der ersten und zweiten Halbschale enthalten sein.
  • Eine solche Integration von Gehäuse und Umgehäuse beansprucht zwar mehr Material und erhöht damit auch das Gewicht, vereinfacht jedoch den Herstellungsprozess signifikant und bietet außerdem eine sehr hohe mechanische Stabilität. Die Grenzschicht zwischen der ersten Halbschale 106 und der zweiten Halbschale 112 kann außerdem, wie dies aus der EP 1 566 626 A1 entnehmbar ist, mit einer geeigneten Dichtungsvorrichtung abgedichtet ist.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt es, indem sie den Lichtkanal in Gestalt eines durch einen Kegelschnitt erzeugten Rotationskörpers ausführt und die beiden IR-Lampen nebeneinander anordnet, einen optimierten Lichtkanal bereitzustellen und dadurch zum einen eine einfachere Form des Werkzeugs, zum anderen aber eine wesentlich höhere Lichtausbeute bei gleicher IR-Lampenintensität bereitzustellen. Durch eine Reduzierung des Lichtanteils außerhalb des maximal zulässigen Einfallswinkels mit Bezug auf die Hauptachse des Detektors kann darüber hinaus eine klarere Trennung der verschiedenen Frequenzbereiche erreicht werden. Damit ist die vorliegende er findungsgemäße miniaturisierte Sensoranordnung vor allem für den Einsatz in der Kraftfahrzeugtechnik geeignet.
  • Obwohl in den 1 bis 7 stets von einer rotationselliptischen Ausgestaltung des Gasmessraums 110 ausgegangen wurde, ist auch die Verwendung anderer Kegelschnitte zur Erzeugung des Rotationskörpers möglich. Die 8 und 9 zeigen beispielsweise einen schematischen Vergleich der Lichtstrahlenführung für die Ausformung als Rotationsellipsoid (8) mit dem Strahlengang bei rotationsparaboloider Innenwandung des Gasmessraums 110. Dabei sind gemäß 9 zwei Parabolspiegel einander gegenüber gestellt, so dass sich auch bei dieser Ausführungsform eine Bündelung der in dem ersten Brennpunkt 914 ausgesendeten Strahlung in einem zweiten Brennpunkt 916 ergibt, in dem der Detektor angeordnet werden kann. Der Vorteil einer solchen Ausgestaltung liegt unter anderem darin, dass ein Bereich der parallelen Strahlenführung 900 in seiner Länge entsprechend den Anforderungen an die Sensitivität der Sensoranordnung gewählt werden kann. Bei sehr geringen Nachweisgrenzen kann es nämlich erforderlich sein, den Lichtweg durch den Gasmessraum zu verlängern, um noch ein ausreichend hohes Detektionssignal zu erzeugen.

Claims (14)

  1. Gassensoranordnung mit mindestens einer Strahlung emittierenden Strahlungsquelle (102, 104), einem Gasmessraum (110), der mit einem Messgas, das mindestens einen zu messenden Analyten enthält, befüllbar ist, mindestens einer die Strahlung detektierenden Detektoreinrichtung (108), die ein von der Anwesenheit und/oder der Konzentration des Analyten abhängiges Ausgangssignal erzeugt, und mit einem Gehäuse (106, 112), in dem der Gasmessraum und die Detektoreinrichtung angeordnet sind, wobei der Gasmessraum (110) mindestens einen Hohlspiegel aufweist, der durch eine reflektierende Innenwandung des Gehäuses gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung des Gehäuses wenigstens teilweise die Gestalt eines durch einen Kegelschnitt erzeugten Rotationskörpers hat, die mindestens eine Strahlungsquelle (102, 104) in dem Gasmessraum so angeordnet ist, dass sie sich in einem ersten Brennpunkt (114, 115) des Rotationskörpers befindet, und der Rotationskörper so ausgebildet ist, dass sich eine Bündelung der emittierten Strahlung im Bereich eines zweiten Brennpunkts (116) des Rotationskörpers ergibt, wobei die Detektoreinrichtung in der Umgebung des zweiten Brennpunkts angeordnet ist.
  2. Gassensoranordnung nach Anspruch 1, wobei der Rotationskörper ein Rotationsellipsoid ist.
  3. Gassensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in dem Bereich, in dem die Detektoreinrichtung angeordnet ist, mindestens ein vorzugsweise planer Umlenkspiegel (140) zum Umlenken der gebündelten Strahlung auf eine Sensorfläche (138) der Detektoreinrichtung vorgesehen ist.
  4. Gassensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Gehäuse durch eine erste (106) und eine zweite (112) Halbschale gebildet ist, die so zusammengefügt sind, dass ein im Wesentlichen geschlossener Gasmessraum gebildet ist.
  5. Gassensoranordnung nach Anspruch 4, wobei die Strahlungsquelle (102, 104) und die Detektoreinrichtung (108) wenigstens teilweise in der ersten Halbschale (106) gehalten sind.
  6. Gassensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei sie so ausgeführt ist, dass sie auf einem gedruckten Schaltungsträger (122) montierbar ist.
  7. Gassensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei 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.
  8. Gassensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei mindestens eine Messstrahlungsquelle (102) und mindestens eine Referenzstrahlungsquelle (104) vorgesehen sind, die symmetrisch zu mindestens einer Symmetrieachse (132) des Gasmessraumes 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.
  9. Gassensoranordnung nach Anspruch 8, wobei die reflektierende Innenwandung einen Verbindungsbereich (134) zwischen den beiden Strahlungsquellen und der Detektoreinrichtung aufweist, der als Teil eines elliptischen Zylindermantels geformt ist, der in einer longitudinalen Richtung der Krümmung des Rotationsellipsoids folgt und in einer transversalen Richtung nicht gekrümmt ist, wobei eine ebene Projektion des Verbindungsbereichs rechteckförmig ist.
  10. Gassensoranordnung nach Anspruch 8, wobei die reflektierende Innenwandung einen Verbindungsbereich (134) zwischen den beiden Strahlungsquellen und der Detektoreinrichtung aufweist, der als Teil eines elliptischen Zylindermantels geformt ist, der in einer longitudinalen Richtung der Krümmung des Rotationsellipsoids folgt und in einer transversalen Richtung nicht gekrümmt ist, wobei eine ebene Projektion des Verbindungsbereichs trapezförmig ist.
  11. Gassensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei mindestens ein Temperaturfühler zur Überwachung der Temperatur in dem Gasmessraum vorgesehen ist.
  12. Gassensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Gehäuse vorzugsweise in Spritzgusstechnik aus Kunststoff herstellbar ist und die reflektierende Beschichtung eine Metallisierung ist.
  13. Gassensoranordnung nach Anspruch 12, wobei die Metallisierung, vorzugsweise eine Goldschicht, durch Sputtern, Bedampfen oder mittels Galvanotechnik abgeschieden ist.
  14. Gassensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei sie dazu eingerichtet ist, gasförmige Analyten, vorzugsweise Kohlendioxid, nachzuweisen und/oder deren Konzentration zu bestimmen.
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