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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.
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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
CO
2 bei 4,24 μm. Mit Hilfe solchen Infrarotgassensoren
ist es daher möglich,
das Vorhandensein einer Gaskomponente und/oder die Konzentration
dieser Gaskomponente zu erfassen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Gassensoranordnung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 erfüllt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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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.
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Dabei
kann der Rotationskörper
durch ein Rotationsellipsoid, ein Rotationsparaboloid oder ein Rotationshyperboloid
wie auch durch Teile dieser Körper
gebildet sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Genauigkeit der Messung zu erhöhen, kann
weiterhin zur Überwachung
der Temperatur in dem Gasmessraum mindestens ein Temperaturfühler vorgesehen
sein.
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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.
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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.
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Anhand
der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten vorteilhaften
Ausgestaltungen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder
korrespondierende Einzelheite zugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Gassensoranordnung gemäß einer ersten
Ausführungsform;
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2 eine
perspektivische Darstellung eines Teils der Anordnung aus 1;
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3 einen
Längsschnitt
durch die Anordnung aus 1;
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4 eine
perspektivische, geöffnete
Darstellung einer Gassensoranordnung gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausführungsform;
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5 die
Anordnung aus 4 unter Berücksichtigung der Lichtstrahlenführung;
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6 einen
Längsschnitt
durch die Anordnung aus 4 und 5;
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7 eine
Draufsicht auf die Anordnung der 4 unter
Einbeziehung verborgener Linien;
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8 eine
schematische Darstellung des Strahlengangs in einem rotationselliptisch
geformten Gasmessraum;
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9 eine
schematische Darstellung des Strahlengangs in einem teilweise als
Rotationsparaboloid geformten Gasmessraum.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
Folgenden soll mit Bezug auf die 1 bis 7 die
Montage der Gassensoranordnung 100 im Einzelnen erläutert werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.