DE102006011565B4 - Gassensorsystem - Google Patents
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Abstract
Gassensorsystem
zum Detektieren von mindestens einem in der Umgebung vorhandenen
Gas oder von Partikeln oder beidem, wobei das Gassensorsystem in
Kombination mindestens zwei Sensoren enthält, von denen der eine ein
Streulichtsensor (11) ist, und mit einer Schaltung (20) zum Betreiben
des Sensorsystems, dadurch gekennzeichnet, dass das Gassensorsystem
den Streulichtsensor (11) oder den Streulichtsensor (11) und einen
chemischen Gassensor (19) sowie einen Oberflächenionisationssensor (12,
13) mit einem Infrarotemitter (12) zur Ionisation des zu detektierenden
Gases enthält,
wobei 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) zumindest teilweise
durchlässig
ist und im Weg der Infrarotstrahlung zu einem Absorptionspfad (14)
liegt, und wobei der Streulichtsensor (11) so angeordnet ist, dass von
dem Infrarotemitter (12) emittierte Strahlung im Absorptionspfad
(14) an den zu detektierenden Partikeln gestreut wird und von dem
Streulichtsensor (11) detektierbar...
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 43 43 897 A1 , deren Stand der Technik im Oberbegriff des Anspruchs 1 als nächstliegender Stand der Technik vorausgesetzt wird, ist eine Vorrichtung zur Dichte- und Konzentrationsbestimmung von sichtbaren Bestandteilen in Fluiden, insbesondere zur Trübungsmessung von Kraftfahrzeugabgasen bekannt. Eine von dem zu messenden Fluid beaufschlagbare Meßkammer ist an zwei gegenüberliegenden Stellen mit einem ersten Lichtempfänger und einer Lichtquelle zur Abgabe eines auf den Lichtempfänger gerichteten Lichtstrahls versehen. Mit dieser Anordnung soll eine opazimetrische Meßmethode durchgeführt werden, bei der eine Lichtabschwächung zwischen Lichtquelle und Lichtempfänger in Abhängigkeit der Trübung ausgewertet wird. Zusätzlich ist ein zweiter Lichtempfänger zur Erfassung von Streulicht außerhalb und seitlich des Strahlengangs durch die Meßkammer angeordnet. Mit Hilfe der Streulichtmethode soll der gestreute Lichtanteil als Maß für die Konzentration der Partikel im untersuchten Medium erfaßt werden. In einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung sollen die Meßsignale für Trübung und Streulicht gleichzeitig oder alternativ ausgewertet werden. Die bekannte Vorrichtung dient offensichtlich allein zur Dichte- und Konzentrationsbestimmung von sichtbaren Bestandteilen in Fluiden, insbesondere zur Trübungsmessung von Kraftfahrzeugabgasen, also zur Detektion von Partikeln. Eine Detektion von Spurengasen, z.B. NO2, O3, VOC's, ist mit der bekannten Vorrichtung nicht möglich. - Die Entgegenhaltung
DE 101 41 632 A1 beschreibt eine gasanalytische Vorrichtung in infrarotoptischen Küvetten mit mehreren Strahlern und Detektoren. Zur Elimination einer sogenannten Querempfindlichkeit zu störenden Gasen sind bei dieser bekannten Vorrichtung mehrere im Prinzip gleichartige, aber geometrisch verschieden angeordnete Detektoren vorgesehen, welche mit einem oder ggf. mehreren Strahlern betrieben werden und nach dem Prinzip der infrarot-optischen Absorption arbeiten. Dazu werden die einzelnen Meßzellen am optischen Küvettenrohr so plaziert, dass die optischen Weglängen durch die Lambert-Behr'sche Gleichung für die einzelnen, sich im System befindlichen Gase beliebig angepaßt werden können, wobei zum Strahlengang quergestellte Detektoreinheiten als besonders vorteilhaft angesehen werden, um stark absorbierende Störsubstanzen zu erfassen. - Die
DE 198 50 564 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Branderkennung, bei der mehrere elektrochemische Gassensoren mit einem Temperatursensor und einem Rauchgas- oder Strahlungssensor kombiniert werden, um unterschiedliche, eine Brandentstehung kennzeichnende Gasarten frühzeitig und selektiv detektieren zu können. Die einzelnen Sensoren sind offensichtlich jeweils separat vorgesehen und es ist nicht erkennbar, dass einzelne Komponenten verschiedener Sensoren zusammenwirken sollen. - Die Entgegenhaltung
DE 101 24 280 A1 beschreibt eine selbstansaugende Brandmeldeeinrichtung, bei der ein oder mehrere Ansaugrohre vorgesehen sind, über welche Luftproben aus einem zu überwachenden Raumbereich entnommen und Branderkennungsdetektoren zur Messung verschiedener Brandkenngrößen zugeführt werden sollen. Dazu ist einerseits ein optisches Streulichtmeßsystem vorgesehen, welches die gestreute Strahlung in einem Vorwärtsstreuwinkelbereich und in einem Rückwärtsstreuwinkelbereich gleichzeitig detektieren soll, sowie zusätzlich ein oder mehrere Gassensoren, wobei mindestens eine Brandgasart detektiert und signaltechnisch zusammen mit dem Signal des Streulichtmeßsystems ausgewertet werden soll. Das Streulichtmeßsystem und der oder die zusätzlichen Gassensoren sind zwar signaltechnisch zusammengeschaltet, sie sind aber an verschiedenen Orten in dem das zu messende Gas führenden Kanal angeordnet und optisch voneinander unabhängig. - Aus der
DE 199 45 856 A1 ist eine Sprinklervorrichtung mit einem Ventil für Löschflüssigkeit bekannt, bei der in einem Gehäuse mehrere unterschiedliche Sensoren zusammengefaßt sind, die auf verschiedene Parameter eines Feuers ansprechen sollen, beispielsweise ein raucherkennender Fühler, ein Wärmefühler und ein chemischer Sensor. Auch hier sind die Sensoren offensichtlich nur signaltechnisch miteinander verbunden, in optischer Weise ergänzen sie sich aber nicht. - Die
DE 102 55 769 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur optischen Gas- und Partikelmessung, bei der zwischen einer Lichtquelle und einem Detektor ein mittels eines Heizelementes beheizbares Fenster vorgesehen ist, wobei das Fenster während der Gas- oder Partikelmessung durch Aufheizen gereinigt wird. - Spannhake, J.; Schulz, O.; Helwig, A.; Müller, G.; Doll, Th.: Design, development and operational concept of an advanced MEMS IR source for miniaturized gas sensor systems, Sensors, 2005 IEEE, 2005, Seiten 762–765 beschreiben einen miniaturisierten thermischen Infrarot-Emitter, welcher so ausgelegt ist, dass er mit einer verhältnismäßig hohen Frequenz moduliert werden kann, um eine hochempfindliche Detektion einer modulierten Strahlung zu gestatten.
- Schließlich ist aus der
DE 197 20 007 C2 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, wobei das Gassensorsystem in Kombination mindestens zwei Sensoren enthält, von denen der eine ein Streulichtsensor ist, und mit einer Schaltung zum Betreiben des Sensorsystems. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Gassensorsystem den Streulichtsensor oder den Streulichtsensor und einen chemischen Gassensor, sowie einen Oberflächenionisationssensor mit einem Infrarotemitter zur Ionisation des zu detektierenden Gases enthält, wobei der Oberflächenionisationssensor eine in einem kurzen Abstand vor dem Infrarotemitter angeordnete Elektrode zur Messung des Ionisationsstroms umfaßt, welche für die Infrarotstrahlung des Infrarotemitters zumindest teilweise durchlässig ist und im Weg der Infrarotstrahlung zu einem Absorptionspfad liegt, und wobei der Streulichtsensor so angeordnet ist, dass von dem Infrarotemitter emittierte Strahlung im Absorptionspfad an den zu detektierenden Partikeln gestreut wird und von dem Streulichtsensor detektierbar ist.
- 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, das nicht Gegenstand der Erfindung ist. - Das in
1 gezeigte Sensorsystem umfasst einen Infrarotemitter12 , der an einem Ende einer Kammer15 angeordnet ist, die einen Absorptionspfad14 umgibt und in Form eines Rohrs ausgebildet ist, welches sich mit seiner Längsachse in Richtung der Abstrahlung des Infrarotemitters12 erstreckt. In einem kurzen Abstand, typischerweise < 1 mm, vor der Oberfläche des Infrarotemitters12 ist eine Elektrode13 angeordnet, welche zusammen mit dem Infrarotemitter12 einen Oberflächenionisationsdetektor bildet. - Die Kammer
15 verfügt über eine Zuführung16 und eine Abführung17 , über welche eine das Sensorsystem umgebende Atmosphäre in die Kammer15 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 Kammer15 bildet einen Absorptionspfad14 , auf dem die von dem Infrarotemitter12 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 Kammer15 ein Infrarotsensor18 , der zusammen mit dem Infrarotemitter12 einen dispersiv arbeitenden Sensor bildet, der bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel die Konzentration von CO2 und/oder CO im Absorptionspfad14 detektiert. Der Infrarotsensor18 kann ein photoakustischer, ein thermoelektrischer oder ein pyroelektrischer Sensor sein. - Seitlich an der den Absorptionspfad
14 umgrenzenden Kammer15 ist ein Streulichtsensor11 angeordnet, welcher an Partikeln, die sich im Absorptionspfad14 befinden, gestreute Strahlung des Infrarotemitters12 detektiert. - Eine Schaltung
20 ist zum Betreiben des Sensorsystems und zum Auswerten der vom Streulichtsensor11 , von dem durch den Infrarotemitter12 und die Elektrode13 gebildeten Oberflächenionisationssensor und von dem Infrarotsensor18 gelieferten Signale dient. Der Infrarotemitter12 wird durch ein frequenzmoduliertes Signal getrieben und der informationsrelevante Signalanteil in dem von dem Infrarotsensor18 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 Infrarotemitters12 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 Streulichtsensor11 detektiert. Weitere Gase im Absorptionspfad14 , Z.q. NO2, O3, VOC's werden durch den Oberflächenionisationssensor12 ,13 erkannt. Aus der Kombination der Signale der einzelnen Sensoren kann die jeweilige Gasspezies und Konzentration bestimmt werden. - Bei der in
2 dargestellten Anordnung ist wiederum an einem Ende einer Kammer15 , die einen Absorptionspfad14 begrenzt, ein Infrarotemitter12 angeordnet. Wie bei dem in1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kammer15 über Zu- und Abführungen16 ,17 eine das Sensorsystem umgebende Atmosphäre zuführbar, in welcher ein Gas und/oder Partikel detektiert werden sollen. An der dem Infrarotemitter12 gegenüberliegenden Seite der Kammer15 ist ein Infrarotsensor18 angeordnet. Dieser bildet zusammen mit dem Infrarotemitter12 einen dispersiv arbeitenden Infrarot-optischen Sensor, ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel von1 . Abweichend davon ist an dem Infrarotemitter12 jedoch keine Elektrode angeordnet, so dass der Infrarotemitter12 nicht auch Bestandteil eines Oberflächenionisationssensors ist. Zusätzlich zu einem Streulichtsensor11 an der Seite der Kammer15 ist ein chemischer Gassensor19 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.
-
- 11
- Streulichtsensor
- 12
- Infrarotemitter
- 13
- Elektrode
- 14
- Absorptionspfad
- 15
- Kammer
- 16
- Zuführung
- 17
- Abführung
- 18
- Infrarotsensor
- 19
- Chemischer Gassensor
- 20
- Betriebs- und Auswerteschaltung
Claims (14)
- Gassensorsystem zum Detektieren von mindestens einem in der Umgebung vorhandenen Gas oder von Partikeln oder beidem, wobei das Gassensorsystem in Kombination mindestens zwei Sensoren enthält, von denen der eine ein Streulichtsensor (
11 ) ist, und mit einer Schaltung (20 ) zum Betreiben des Sensorsystems, dadurch gekennzeichnet, dass das Gassensorsystem den Streulichtsensor (11 ) oder den Streulichtsensor (11 ) und einen chemischen Gassensor (19 ) sowie einen Oberflächenionisationssensor (12 ,13 ) mit einem Infrarotemitter (12 ) zur Ionisation des zu detektierenden Gases enthält, wobei 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 ) zumindest teilweise durchlässig ist und im Weg der Infrarotstrahlung zu einem Absorptionspfad (14 ) liegt, und wobei der Streulichtsensor (11 ) so angeordnet ist, dass von dem Infrarotemitter (12 ) emittierte Strahlung im Absorptionspfad (14 ) an den zu detektierenden Partikeln gestreut wird und von dem Streulichtsensor (11 ) detektierbar ist. - Gassensorsystem nach Anspruch 1, 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. - Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, 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. - Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionspfad (
14 ) durch eine mit ihrer Achse in Strahlrichtung des Infrarotemitters (12 ) ausgedehnte rohrförmige Kammer (15 ) gebildet ist, an deren ei nem Ende der Infrarotemitter (12 ) und an deren Seite der Streulichtsensor (11 ) oder der chemische Gassensor (19 ) oder beide angeordnet sind. - Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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. - Sensorsystem nach Anspruch 4 oder 5, 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. - Sensorsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, 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. - Sensorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kammer Zu- und Abführungen (
16 ,17 ) für die Zwangskonvektion vorgesehen sind. - Sensorsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotsensor (
18 ) ein dispersiv arbeitender Sensor ist. - Sensorsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotsensor (
18 ) ein fotoakustischer, ein thermoelektrischer oder eine tyroelektrischer Sensor ist. - Sensorsystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotsensor (
18 ) zur Messung von CO2 oder CO oder von beidem vorgesehen ist. - Sensorsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 11, 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. - Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gassensorsystem durch mikro-elektro-mechanische Komponenten (MEMS) gebildet ist.
- Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem zum Detektieren von in der Umgebung des Sensors vorhandenem Gas oder von Partikeln oder einer Kombination davon in einem Flugzeug vorgesehen ist.
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