DE102006011565A1 - Gassensorsystem - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Gassensorsystem zum Detektieren von mindestens einem in der Umgebung vorhandenen Gas oder von Partikeln oder von einer Kombination davon und mit einer Schaltung (20) zum Betreiben des Sensorsystems beschrieben. Erfindungsgemäß enthält das Gassensorsystem (10) in Kombination mindestens zwei der Sensoren aus der Gruppe, umfassend einen Streulichtsensor (11), einen infrarot-optischen Sensor (12, 18), einen Oberflächenionisationssensor (12, 13) und einen chemischen Gassensor.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Gassensorsystem zum Detektieren von mindestens einem in der Umgebung des Sensorsystems vorhandenen Gas oder von Partikeln oder einer Kombination davon.
  • In verschiedenen Anwendungsbereichen, so auch in der Luftfahrt, sind Streulichtsensoren zur Feuerdetektion bekannt. Bei einem Streulichtsensor wird von einer Quelle optischer Strahlung, Licht oder Infrarot, abgestrahltes und von in der zu überwachenden Umgebung vorhandenen Partikeln gestreutes Licht detektiert und in Ansprache darauf ein Alarm erzeugt. Streulichtsensoren reagieren nur auf Partikel. Diese entstehen erst, wenn ein offenes Feuer ausgebrochen ist. Einige Brände verursachen überhaupt keine Partikel und sind daher nicht erkennbar. Partikel in höherer Konzentration können auch ohne Feuer auftreten, beispielsweise durch Frachtbestandteile, externe Verunreinigungen, kondensierte Feuchte. In der Luftfahrt werden Gassensoren zur Überwachung kritischer Kompartments (Passagierkabine, Frachtraum) bisher nicht verwendet. Grund dafür ist, dass robuste und preiswerte Sensoren, beispielsweise chemische Gassensoren, zu unspezifisch messen, d.h. kein Einzelkomponentennachweis möglich ist. Sehr selektive Systeme Infrarot- und Massenspektrometer, Chromatographen, sind sehr teuer und komplex.
  • Aus der DE 197 20 007 C2 ist ein Gassensorsystem zur Detektion von mindestens einem Gas oder von Partikeln oder einer Kombination daraus bekannt, welches zwei Gassensoren enthält, wobei der erste Gassensor ein elektrisch beheizbarer und eine Leitfähigkeit auswertender Gassensor ist und der zweite Gassensor nach dem Infrarot-Absorptionsprinzip funktioniert und eine Infrarotstrahlungsquelle, eine Absorptionsstrecke und einen Infrarotstrahlungsdetektor umfasst, und wobei der erste Gassensor gleichzeitig die Infrarotstrahlungsquelle für den zweiten Gassensor darstellt.
    •
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Gassensorsystem zu schaffen, welches möglichst einfach aufgebaut ist und eine sichere und frühzeitige Branderkennung gestattet.
  • Die Aufgabe wird durch ein Gassensorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Durch die Erfindung wird ein Gassensorsystem zum Detektieren von mindestens einem in der Umgebung des Sensorsystems vorhandenen Gas oder von Partikeln oder einer Kombination davon geschaffen. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass Gassensorsystem in Kombination mindestens zwei der Sensoren enthält aus der Gruppe umfassend einen Streulichtsensor, einen infrarot-optischen Sensor, einen Oberflächenionisationssensor und einen chemischen Gassensor enthält.
  • Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gassensorsystems sind in den Unteransprüchen angegeben.
    •
  • Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorsystems anhand der Zeichnung erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 eine schematisierte Darstellung eines Sensorsystems zum Detektieren von mindestens einem in der Umgebung des Sensorsystems vorhandenen Gas oder von Partikeln oder einer Kombination davon gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 ein Sensorsystem zum Detektieren von mindestens einem in der Umgebung des Sensorsystems vorhandenen Gas oder von Partikeln oder einer Kombination davon gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Das in 1 gezeigte Sensorsystem 10 umfasst einen Infrarotemitter 12, der an einem Ende einer Kammer 15 angeordnet ist, die einen Absorptionspfad 14 umgibt und in Form eines Rohrs ausgebildet ist, welches sich mit seiner Längsachse in Richtung der Abstrahlung des Infrarotemitters 12 erstreckt. In einem kurzen Abstand, typischerweise < 1 mm, vor der Oberfläche des Infrarotemitters 12 ist eine Elektrode 13 angeordnet, welche zusammen mit dem Infrarotemitter 12 einen Oberflächenionisationsdetektor bildet.
  • Die Kammer 15 verfügt über eine Zuführung 16 und eine Abführung 17, über welche eine das Sensorsystem 10 umgebende Atmosphäre in die Kammer 15 geführt und aus dieser wieder abgeführt wird. Diese Zufuhr kann durch Diffusion und freie Konvektion oder mittels einer Pumpe durch Zwangskonvektion erfolgen. Das Innere der Kammer 15 bildet einen Absorptionspfad 14, auf dem die von dem Infrarotemitter 12 emittierte Strahlung durch die zu detektierenden Gase und/oder Partikel absorbiert und/oder gestreut werden.
  • Dem Infrarotemitter 12 gegenüberliegend befindet sich am anderen Ende der Kammer 15 ein Infrarotsensor 18, der zusammen mit dem Infrarotemitter 12 einen dispersiv arbeitenden Sensor bildet, der bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel die Konzentration von CO2 und/oder CO im Absorptionspfad 14 detektiert. Der Infrarotsensor 18 kann ein photoakustischer, ein thermoelektrischer oder ein pyroelektrischer Sensor sein.
  • Seitlich an der den Absorptionspfad 14 umgrenzenden Kammer 15 ist ein Streulichtsensor 11 angeordnet, welcher an Partikeln 30, die sich im Absorptionspfad 14 befinden, gestreute Strahlung des Infrarotemitters 12 detektiert.
  • Eine Schaltung 20 ist zum Betreiben des Sensorsystems 10 und zum Auswerten der vom Streulichtsensor 11, von dem durch den Infrarotemitter 12 und die Elektrode 13 gebildeten Oberflächenionisationssensor und von dem Infrarotsensor 18 gelieferten Signale dient. Der Infrarotemitter 12 wird durch ein frequenzmoduliertes Signal getrieben und der informationsrelevante Signalanteil in dem von dem Infrarotsensor 18 gelieferten Signal wird durch diese Frequenzmodulation erkannt. Die Amplitude dieses Signals ist ein Maß für die Gaskonzentration.
  • Die Elektrode 13 besteht aus einem metallischen Gitter oder einem optisch durchlässigen, aber elektrisch leitfähigen Material, z.B. Indiumtitanoxid. Die hohe Oberflächentemperatur des Infrarotemitters 12 in Kombination mit dem Material der Oberfläche bewirken eine teilweise selektive Ionisation von Spurengasen. Durch Anlegen einer Spannungsdifferenz zwischen dem Emitterheizer und der Diode können diese Ionen als Messstrom ΔI nachgewiesen werden.
  • Treten Partikel, Wassertropfen oder sonstige schwebende Verunreinigungen im Absorptionspfad 14 auf, wird ein Teil der emittierten infraroten Strahlung gestreut. Dieser Strahlungsanteil wird durch den Streulichtsensor 11 detektiert. Weitere Gase im Absorptionspfad 14, z.B. NO2, O3, VOC's werden durch den Oberflächenionisationssensor 12, 13 erkannt. Aus der Kombination der Signale der einzelnen Sensoren kann die jeweilige Gasspezies und Konzentration bestimmt werden.
  • Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist wiederum an einem Ende einer Kammer 15, die einen Absorptionspfad 14 begrenzt, ein Infrarotemitter 12 angeordnet. Wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kammer 15 über Zu- und Abführungen 16, 17 eine das Sensorsystem 10 umgebende Atmosphäre zuführbar, in welcher ein Gas und/oder Partikel detektiert werden sollen. An der dem Infrarotemitter 12 gegenüberliegenden Seite der Kammer 15 ist ein Infrarotsensor 18 angeordnet. Dieser bildet zusammen mit dem Infrarotemitter 12 einen dispersiv arbeitenden Infrarot-optischen Sensor, ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel von 1. Abweichend davon ist an dem Infrarotemitter 12 jedoch keine Elektrode angeordnet, so dass der Infrarotemitter 12 nicht auch Bestandteil eines Oberflächenionisationssensors ist. Zusätzlich zu einem Streulichtsensor 11 an der Seite der Kammer 15 ist ein chemischer Gassensor 19 angeordnet, welcher in der Lage ist, Gase im Absorptionspfad, z.B. NO2, O3, VOC's (Volatile organische Verbindungen) zu erkennen.
  • Die Kombination von chemischen und optischen Sensoren führt aufgrund der unterschiedlichen Detektivität und Sensitivität der beiden Sensorprinzipien zu einer wesentlich verbesserten selektiven Analyse von Einzelkomponenten. So erzeugen höhere Konzentrationen von CO ähnliche Signale an chemischen Sensoren wie geringe Konzentrationen von VOC's. Höhere CO-Konzentrationen (ab ca. 100 ppm) werden aber auch durch das optische System gut erkannt, während geringe Konzentrationen an VOC's nicht detektierbar sind. CO2 dagegen wird nur durch optische Gassensoren erkannt.
  • Durch die Anwendung von MEMS-Technologie (Mikro-Elektro-Mechanische Systeme) ist der Aufbau eines kompakten integrierten Sensorsystems einschließlich der elektronischen Schaltung 20 möglich, welches gut an mechanische und elektronische Schnittstellen der jeweiligen Anwendung adaptiert werden kann.
  • Das Sensorsystem eignet sich für Anwendungen im Luftfahrtsektor und für andere Anwendungen.
    • 10
    Sensorsystem
    11
    Streulichtsensor
    12
    Infrarotemitter
    13
    Elektrode
    14
    Absorptionspfad
    15
    Kammer
    16
    Zuführung
    17
    Abführung
    18
    Infrarotsensor
    19
    Chemischer Gassensor
    20
    Betriebs- und Auswerteschaltung
    30
    Partikel

Claims (18)

  1. Gassensorsystem zum Detektieren von mindestens einem in der Umgebung vorhandenem Gas oder von Partikeln oder von einer Kombination davon, mit einer Schaltung (20) zum Betreiben des Sensorsystems, dadurch gekennzeichnet, dass das Gassensorsystem (10) in Kombination mindestens zwei der Sensoren enthält aus der Gruppe umfassend einen Streulichtsensor (11), einen infrarot-optischen Sensor (12, 18), einen Oberflächenionisationssensor (12, 13) und einen chemischen Gassensor (19).
  2. Gassensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gassensorsystem einen Streulichtsensor (11) oder einen chemischen Gassensor (19) oder beides und einen Oberflächenionisationssensor (12, 13) mit einem Infrarotemitter (12) zur Ionisation des zu detektierenden Gases enthält, wobei der Streulichtsensor (11) so angeordnet ist, dass von dem Infrarotemitter (12) emittierte Strahlung in einem Absorptionspfad (14) an den zu detektierenden Partikeln gestreut wird und von dem Streulichtsensor (11) detektierbar ist.
  3. Gassensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Streulichtsensor (11) oder der chemische Gassensor (19) oder beide bezüglich der Strahlrichtung der von dem Infrarotemitter (12) emittierten Strahlung seitlich am Absorptionspfad (14) angeordnet ist.
  4. Sensorsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Infrarotsensor (18) vorgesehen ist, welcher zusammen mit dem Infrarotemitter (12) des Oberflächenionisationssensors (12, 13) einen infrarot-optischen Sensor (12, 18) bildet, wobei der Infrarotsensor (18) an dem Absorptionspfad (14) dem Infrarotemitter (12) gegenüberliegend angeordnet ist.
  5. Sensorsystem nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenionisationssensor (12, 13) eine in einem kurzen Abstand (ΔI) vor dem Infrarotemitter (12) angeordnete Elektrode (13) zur Messung des Ionisationsstroms umfasst, welche für die Infrarotstrahlung des Infrarotemitters (12) zumin dest teilweise durchlässig ist und im Weg der Infrarotstrahlung zum Absorptionspfad (14) liegt.
  6. Gassensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gassensorsystem einen Streulichtsensor (11) oder einen chemischen Sensor (19) oder beides und einen Infrarotsensor (18) enthält, welcher zusammen mit einem Infrarotemitter (12) einen infrarot-optischen Sensor (12, 18) bildet, wobei der Infrarotsensor (18) an dem Absorptionspfad (14) dem Infrarotemitter (12) gegenüberliegend angeordnet ist und wobei der Streulichtsensor (11) so angeordnet ist, dass von dem Infrarotemitter (12) emittierte Strahlung in einem Absorptionspfad (14) an den zu detektierenden Partikeln gestreut wird und von dem Streulichtsensor (11) detektierbar ist.
  7. Gassensorsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Streulichtsensor (11) oder der chemische Sensor (19) oder beide bezüglich der Strahlrichtung der von dem Infrarotemitter (12) emittierten Strahlung seitlich am Absorptionspfad (14) angeordnet ist.
  8. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionspfad (14) durch eine mit ihrer Achse in Strahlrichtung des Infrarotemitters (12) ausgedehnte rohrförmige Kammer (15) gebildet ist, an deren einem Ende der Infrarotemitter (12) und an deren Seite der Streulichtsensor (11) oder der chemische Gassensor (19) oder beide angeordnet sind.
  9. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionspfad (14) durch eine mit ihrer Achse in Strahlrichtung des Infrarotemitters (12) ausgedehnte rohrförmige Kammer (15) gebildet ist, an deren einem Ende der Infrarotemitter (12), an deren anderem Ende der Infrarotsensor (18) und an deren Seite der Streulichtsensor (11) oder der chemische Gassensor (19) oder beides angeordnet ist.
  10. Sensorsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (15) so ausgebildet ist, dass in der Umgebung vorhandenes Gas oder in der Umgebung vorhandene Partikel durch Diffusion oder freie Konvektion in die Kammer (15) eintreten können.
  11. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (15) so ausgebildet ist, dass in der Umgebung vorhandenes Gas oder in der Umgebung vorhandene Partikel durch Zwangskonvektion in die Kammer (15) eintreten können.
  12. Sensorsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kammer Zu- und Abführungen (16, 17) für die Zwangskonvektion vorgesehen sind.
  13. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotsensor (18) ein dispersiv arbeitender Sensor ist.
  14. Sensorsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotsensor (18) ein fotoakustischer, ein thermoelektrischer oder eine tyroelektrischer Sensor ist.
  15. Sensorsystem nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotsensor (18) zur Messung von CO2 oder CO oder von beidem vorgesehen ist.
  16. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (20) zur Zuführung eines frequenzmodulierten Treibersignals zu dem Infrarotemitter (12) und zum Erfassen eines Ausgangssignals von dem Infrarotsensor (18) und zur Erzeugung eines die Konzentration von Gas oder von Partikeln oder einer Kombination davon im Absorptionspfad anzeigenden Signals aus dem frequenzmodulierten Signalanteil eines Ausgangssignals des Infrarotsensors (18) vorgesehen ist.
  17. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gassensorsystem durch mikro-elektro-mechanische Komponenten (MEMS) gebildet ist.
  18. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (10) zum Detektieren von in der Umgebung des Sensors vorhandenem Gas oder von Parikeln oder einer Kombination davon in einem Flugzeug vorgesehen ist.
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