DE102006048839B4

DE102006048839B4 - Photoakustische Gassensor-Vorrichtung mit mehreren Messzellen

Info

Publication number: DE102006048839B4
Application number: DE102006048839A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Müller; Olaf Schulz; Martin Dr. Lloyd; Karl-Heinz Suphan
Original assignee: MICRO HYBRID ELECTRONIC GmbH; MICRO-HYBRID ELECTRONIC GmbH; EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Micro-Hybrid Electronic De GmbH; Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2026-10-17
Also published as: WO2008046824A1; DE102006048839A1

Abstract

Photoakustische Gassensor-Vorrichtung (30, 50, 60) mit:
einem Messraum (16) zur Aufnahme eines zu messenden Mediums,
einer Strahlungsquelle (10),
einer ersten an den Messraum (16) angeschlossenen photoakustischen Messzelle (32), die zum Erfassen eines ersten Gases (33) eingerichtet ist, und
einer optischen Einrichtung zum Leiten von aus der Strahlungsquelle (10) ausgesandter Strahlung durch den Messraum (16) zu der ersten photoakustischen Messzelle (32),
wobei wenigstens eine zweite photoakustische Messzelle (34), die zum Erfassen wenigstens eines zweiten, unterschiedlichen zu messenden Gases (35) eingerichtet ist, an den Messraum (16) angeschlossen ist und
wobei die optische Einrichtung von der Strahlungsquelle (10) ausgesandte Strahlung (12) durch den Messraum (16) hindurch hin zu der ersten und zu der zweiten Messzelle (32, 34) leitet,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Messraum im wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist und
dass sphärische Begrenzungswände (44) des Messraumes (16) zumindest bereichsweise reflektierend ausgebildet sind, um die optische...

Description

Die Erfindung betrifft eine photoakustische Gassensor-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des hier beigefügten Patentanspruches 1, wie sie aus der WO 2005/093390 A1 bekannt ist. Auf diese Druckschrift wird hiernach noch näher eingegangen.
Öffentliche Orte wie Gebäude und Verkehrssysteme-Flugzeuge, Züge, u. s. w. – müssen auf Luftqualität, Gaslecks sowie Feuergefahren überwacht werden. Hierzu können Gassensoren eingesetzt werden, die zum Überwachen der Luftqualität den CO₂-Gehalt und die Luftfeuchtigkeit messen, so dass bei Bedarf eine Belüftung eingeschaltet werden kann. Zur Überwachung von Gaslecks können auf natürliches Gas oder Erdgas, hauptsächlich CH₄, ansprechende Sensoren eingesetzt werden. Bei Ansprechen dieser Sensoren kann eine Gasversorgung abgeschaltet werden und/oder ein Gasalarm gegeben werden. Zur Überwachung von Feuergefahren können Sensoren eingesetzt werden, die auf CO₂, und/oder Rauchpartikel ansprechen, um so beispielsweise einen Feueralarm auszulösen.
Mit der vorliegenden Erfindung soll insbesondere ein einzelnes integriertes optisches Sensorsystem geschaffen werden, das sich allen zu lösenden Sensorproblemen zuwendet, wobei nur ein einzelnes Hardwareelement vorgesehen sein soll, um ein besseres Kosten/Nutzenverhältnis als existierende Systeme zu schaffen.
Die derzeit auf dem Markt befindlichen Systeme benutzen spezielle Hardwarelösungen für jedes einzelne Problemgebiet. Beispiele sind:

• Nichtdispersive Infrarotdetektoren (NDIR-Detektoren) zum Messen von Kohlenstoffdioxid, wie sie beispielsweise von der Fa. Steinel Solutions AG, CH-8840 Einsiedeln, Schweiz, und anderen angeboten werden;
• Metalloxydbasierende Gassensoren für Gaslecks, wie sie beispielsweise von der Fa. UST Umweltsensortechnik GmbH oder von der Fa. Figaro Engineering Inc. angeboten werden; und
• Streulichtdetektoren zum Erfassen von Rauchpartikeln, wie sie beispielsweise von den Firmen Hekatron Vertriebs GmbH oder AOA Apparatebau Gauting GmbH angeboten werden.

Wesentlich genauer als die zuvor erläuterten Systeme arbeiten photoakustische Gassensoren. Diese photoakustischen Gassensoren arbeiten mit dem photoakustischen Effekt. Beim photoakustischen Effekt wird Licht beim Auftreffen auf Moleküle in eine Schallwelle umgewandelt, die Rückschlüsse auf Art und Konzentration der untersuchten Moleküle zulässt. Spezielle Gasmoleküle lassen sich durch Lichtstrahlung einer speziellen Wellenlänge anregen. Beim Auftreffen dieser Strahlung auf die Moleküle wird auch Wärme freigesetzt, was zu einer Druckänderung in der Probe führt. Normalerweise würden sich diese Druckdifferenzen sofort wieder ausgleichen. Verwendet man jedoch keine Strahlung mit gleichmäßiger Intensität, sondern mit wellenförmig modulierter Intensität, so erhält man als Ergebnis eine Druckwelle, das heißt ein akustisches Signal, das man mit einem Mikrofon nachweisen kann. Beispiele für photoakustische Gassensoren sowie die Anwendung des photoakustischen Effektes finden sich in vielen Vorveröffentlichungen, beispielsweise in der DE 197 55 866 C1 , der DE 197 35 205 A1 , der DE 196 32 867 B4 , der EP 1 564 543 A2 , der EP 0 801 296 A1 , der EP 0 798 552 B1 , der WO 2004/029593 A1 , der US 2006/0123884 A1 , der US 6 662 627 B2 , der EP 0 871 860 B1 sowie der DE 1 9528960 A1 . Es wird für weitere Einzelheiten zu dem allgemeinen Aufbau solcher photoakustischer Gassensoren ausdrücklich auf diese vorerwähnten Druckschriften verwiesen.
Die vorerwähnten Druckschriften zeigen allesamt jedoch sehr spezielle Gassensoren, die einen komplizierten und somit teueren Aufbau haben, um möglichst hohe Sensorauflösungen zu erhalten oder um spezielle Sensoraufgaben zu lösen.
Die EP 1 574 840 A1 beschreibt einen photoakustische Gassensor und ein Verfahren zur Herstellung, mit dem eine kostengünstigere Lösung erzielt werden soll. Dabei wird eine Messzelle und eine Referenzzelle eines einzelnen photoakustischen Gassensors auf einer Leiterplatte als Modul hergestellt. Anstelle des bei teueren Systemen meist verwendeten Infrarotlasers wird bei diesem System eine Mikroglühlampe zur IR-Strahlenerzeugung verwendet. Ein Reflektorgehäuse bildet die Strahlung auf ein IR-Bandpassfilter ab. Hinter dem Bandpassfilter, welches die für das zu detektierende Gas passende Wellenlänge durchlässt, befindet sich die eigentliche Messzelle mit einem bidirektionalen Differenzmikrofon. Über die Auswahl des Bandpassfilters kann man das Gas auswählen, welches der photoakustische Gassensor detektieren soll. Als Beispiele sind CO₂, NH₃ und CH₄ genannt. Zusätzlich zu der Messzelle gibt es auch noch eine Referenzzelle, so dass über die Differenz der aus Messzelle und aus Referenzzelle erhaltenen Signale die Gaskonzentration ermittelt werden kann. Es ist auch beschrieben, die Referenzzelle als zweite Gaserfassungszelle auszubilden. Hierzu wird ein zweiter Strahler vorgeschlagen, welcher der Referenzzelle zugeordnet ist, wobei auch eine zweite Reflexionszelle vorhanden sein muss. Mit diesem komplizierten Aufbau lassen sich dann gleichzeitig zum Beispiel CO₂ und Wasserdampf oder Kohlenwasserstoffe messen.
Aus der EP 0 072 821 B1 ist ebenfalls ein photo-akustischer Gassensor mit einer photo-akustischen Messzelle und mit einer Referenzmesszelle beschrieben. Der Gassensor hat weiter einen Reflektor mit ellipsoider Struktur. Es wir in diesem Stand der Technik auch auf eine frühere Druckschrift verwiesen, worin für andere Gasmessmethoden kugelförmige Hohlreflektoren mit lichtstreuender Oberfläche bekannt sind.
3 → 3a → 4
Aus der US 4 740 086 A ist ein photoakustischer Gassensor bekannt, der ebenfalls anstelle eines Lasers eine normale thermische Strahlungsquelle verwendet, welche entsprechendes, divergierendes Licht aussendet. Zum Bündeln dieses Lichtes wird ein Reflektor mit ellipsoider Struktur vorgeschlagen. Dieser Reflektor ist als eine Hälfte einer Ellipse ausgebildet, die an ihrer Trennebene mit einem Planspiegel abgeschlossen ist. In der Mitte des Planspiegels befindet sich dann ein Fenster zum Austritt der IR-Strahlung, die anschließend in ein Messvolumen geleitet wird, durch welches das zu messende Medium hindurch gespült werden kann.
Aus der DE 100 51 691 A ist ein photoakustischer Gassensor mit einer geschlossenen Messzelle bekannt. Diese geschlossene Messzelle ist mit dem zu messenden Gas befüllt. Infrarotlicht von einer thermischen Strahlungsquelle wird durch einen als Reflektorgehäuse ausgebildeten Messraum hindurch zu der Messzelle geleitet. Dementsprechend offenbart die DE 100 51 691 A1 eine photoakustische Gassensor-Vorrichtung mit einem Messraum zur Aufnahme eines zu messenden Mediums, einer Strahlungsquelle, einer an den Messraum angeschlossenen ersten photoakustischen Messzelle, die zum Erfassen eines ersten Gases eingerichtet ist, und eine optische Einrichtung zum Leiten von aus der Strahlungsquelle ausgesandter Strahlung durch den Messraum zu dieser photoakustischen Messzelle. Der aus der DE 100 51 691 A1 bekannte photoakustische Gassensor kann weiter auch mit einem Rauchsensor kombiniert sein. Es ist dabei auch beschrieben, dass dann, wenn mehrere unterschiedliche Gase detektiert werden sollen, die Messzelle mit diesen mehreren Gasen befüllt wird, wobei dann für jedes Gas eine andere Lichtquelle und ein anderer Lichtfilter notwendig ist.
Auch die EP 1 111 367 B1 beschreibt einen photoakustischen Gassensor, mit dem mehrere Gase in einer Vorrichtung gemessen werden können. Auch hierbei sind zum Messen zweier unterschiedlicher Gase zwei unterschiedliche Lichtquellen vorhanden, um unterschiedliche Wellenlängen auszusenden, die beide mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert werden. Mit diesen unterschiedlichen Lichtstrahlen wird eine einzelne mit einem Mikrofon versehene Messzelle bestrahlt. Die Auswertung der Detektion der unterschiedlichen Gase erfolgt aufgrund der unterschiedlichen Modulation der Lichtstrahlen über eine der einzelnen Messzelle nachgeschaltete Elektronik.
Aus der US 5 170 064 A ist eine photoakustischer Gassensor bekannt, bei dem ein Messvolumen in einem Reflektorgehäuse untergebracht ist, welches eine Ellipsoid-Form aufweist. Dabei ist in einem ersten Brennpunkt der Ellipsoid-Form eine Strahlquelle untergebracht. Bei einer Ausführungsform ist in dem zweiten Brennpunkt der Ellipsoid-Form eine Messzelle angeordnet. Bei einer weiteren Ausführungsform sind außerhalb des Messvolumens mehrere Messzellen vorhanden, wobei in dem zweiten Fokus des ellipsoiden Reflektorgehäuses ein komplizierter Reflektorkörper angeordnet ist, der Lichtstrahlen zu den einzelnen Messzellen reflektieren soll.
Eine Gassensor-Vorrichtung mit ellipsoidem Reflektorgehäuse ist weiter aus der US 4 557 603 bekannt.
Aus der eingangs erwähnten WO 2005/093390 A1 ist eine Gassensor-Vorrichtung mit einer diffusen Lichtquelle bekannt. Ein Teil der ausgestrahlten Strahlung wird über außerhalb vorgesehene sphärische Spiegel in einen zylinderrohrförmig ausgebildeten Messraum und in einen entsprechend ausgebildeten Referenzraum eingeleitet. Am anderen Ende des Messraumes sind Messzellen angeordnet, wobei auch mehrere Messzellen zur Erfassung mehrerer unterschiedlicher Gase vorhanden sein können.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine photoakustische Gassensor-Vorrichtung, mit der unterschiedliche Überwachungsaufgaben gelöst werden können, zu schaffen, die eine hohe Sensitivität und dennoch einen einfachen und kompakten Aufbau hat.
Diese Aufgabe wird mit einer photoakustischen Gassensor-Vorrichtung mit den Merkmalen des hier beigefügten Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft demnach eine photoakustische Gassensor-Vorrichtung mit einem Messraum zur Aufnahme eines zu messenden Mediums, einer Strahlungsquelle, einer ersten an den Messraum angeschlossenen photoakustischen Messzelle, die zum Erfassen eines ersten Gases eingerichtet ist, und einer optischen Einrichtung zum Leiten von aus der Strahlungsquelle ausgesandter Strahlung durch den Messraum zu der ersten photoakustischen Messzelle, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass wenigstens eine zweite photoakustische Messzelle, die zum Erfassen wenigstens eines zweiten, unterschiedlichen zu messenden Gases eingerichtet ist, an den Messraum angeschlossen ist und dass die optische Einrichtung die von der Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung durch den Messraum hindurch hin zu der ersten und zu der zweiten Messzelle leitet.
Durch die optische Einrichtung können anstelle von teueren Laservorrichtungen einfache thermische Emitter, welche normale divergierende oder diffuse Strahlung aussenden, verwandt werden. Die optische Einrichtung kann diese divergierende Strahlung innerhalb des Messraumvolumens halten und so das darin befindliche Gas bestrahlen.
Es reicht erfindungsgemäß aus, nur einen einzelnen Messraum mit nur einer Strahlungsquelle zu verwenden. Zur Messung wenigstens zweier unterschiedlicher Gase sind wenigstens zwei Messzellen, nämlich wenigstens eine erste und eine zweite Messzelle, die jeweils auf unterschiedliche Gase ansprechen, vorgesehen. Die Messzellen können derart arbeiten, dass sie das jeweilige Gas und eine Mikrophoneinrichtung enthalten. Ist nun in dem Messraumvolumen dieses zu erfassende Gas ebenfalls vorhanden, so absorbiert dieses Gas die entsprechende Wellenlänge aus dem Spektrum der Strahlungsquelle. Demnach kommt von dieser Wellenlänge in der jeweiligen Messzelle weniger Strahlung an, so dass das Gas in der Messzelle weniger angeregt wird und das Signal geringer wird. Die entsprechende Signaländerung ist ein Maß für die Konzentration des zu messenden Gases innerhalb des Messraumes.
Es ist somit erfindungsgemäß möglich, mit ein und derselben Strahlungsquelle, die das Messraumvolumen durchstrahlt, ganz unterschiedliche Gase zu detektieren, indem man nur unterschiedliche Messzellen an das Messraumvolumen anschließt.
Damit kann man in einem Messraumvolumen unter Verwendung einer (einzelnen) einfachen thermischen Strahlungsquelle zwei, drei, vier und auch mehr unterschiedliche Gase messen.
Durch die Verwendung von hochselektiven photoakustischen Gassensoren, anstelle der eingangs erwähnten Metalloxidsensoren mit geringerer Sensorleistung, lassen sich auch recht geringe Konzentrationen detektieren.
Mit der erfindungsgemäßen photoakustischen Gassensor-Vorrichtung kann man so mit einem einzelnen Hardwareteil die verschiedensten Überwachungsaufgaben und Regelungsaufgaben, wie insbesondere die Belüftung bei Bedarf, und zusätzlich noch weitere Überwachungsaufgaben lösen. Aufgrund der größeren Genauigkeit gibt es beispielsweise bei einer Gasleckdetektion eine geringere Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen.
Durch eine kombinierte Messung von unterschiedlichen Gasen, insbesondere die gleichzeitige Erfassung von Kohlenstoffmonooxid und Kohlenstoffdioxid, können Fehlalarme bei einer Brandüberwachung reduziert werden. Eine zusätzliche Reduktion der Fehlalarme bei der Brandüberwachung lässt sich gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durch eine Kombination mit einem Rauchsensor erzielen.
Die Vorteile bei der Verwendung eines solchen Multi-Sensorsystems sind eine signifikante Kostenreduktion aufgrund einer weitaus vereinfachten Integrationsmöglichkeit sowie eine wesentlich geringere Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen aufgrund der Möglichkeit, die Signale unterschiedlicher Messzellen in einer gemeinsamen Steuereinheit miteinander zu korrelieren. Durch die Anordnung mehrerer Sensorzellen in einem Hardwareteil lässt sich außerdem ein gemeinsames Kommunikationsnetz aufbauen, mit welchem die einzelnen Sensorzellen mit einer gemeinsamen Auswerteschaltung kommunizieren.
Die optische Einrichtung nutzt erfindungsgemäß Reflektorsysteme. Eine besonders einfache Lösung lässt sich mit der ausschließlichen Verwendung von Reflektoren erzielen. Erfindungsgemäß ist der Messraum innerhalb eines Reflektorgehäuses angeordnet, dessen Wandungen zumindest bereichsweise reflektierend ausgebildet sind. Durch eine sphärische Form solcher reflektierenden Begrenzungswände lässt sich erfindungsgemäß eine besonders vorteilhafte Bündelung der von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlung erzielen. Erfindungsgemäß ist eine etwa kugelförmige Form des Messraumvolumens vorgesehen, wobei an einer Halbkugel die Strahlungsquelle angeordnet sein kann und auf der anderen Halbkugel die mehreren Messzellen angeordnet sein können und die Begrenzungswandungen reflektierend ausgebildet sind. Dadurch wird die von der Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung innerhalb der (annähernden) Kugelform reflektiert, so dass sie mehrfach durch den als Messraum wirkenden Innenraum des kugelförmigen Reflektorgehäuses hindurchgehen, bis sie auf eine der Messzellen treffen. Zur Optimierung kann die Kugelform abgeändert sein, beispielsweise im Bereich der Strahlungsquelle etwas abgeflacht oder parabolisch geformt sein.
Vorzugsweise sind wenigstens zwei Messzellen angeordnet, die wenigstens zwei der folgenden Gase detektieren können: Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonooxid, Wasserdampf oder gasförmige Kohlenwasserstoffe, insbesondere CH₄.
Zusätzlich kann noch ein Rauchsensor in dem Reflektorgehäuse angeordnet sein. Der Rauchsensor kann zum Beispiel als Streulichtsensor ausgebildet sein, wobei an einem Ende des Reflektorvolumens eine Lichtquelle zum Aussenden eines gerichteten Strahls, beispielsweise eine Laserdiode, angeordnet und in dem Zielgebiet dieses gerichteten Strahles ein Strahlenstopper angeordnet ist. Der Strahlenstopper kann ein Medium sein, welches die ausgesandte Strahlung absorbiert und/oder detektiert. Außerhalb des Zielgebietes kann eine Messeinrichtung zum Messen von Streulicht vorhanden sein, die das Streulicht misst, welches an den in dem Strahl befindlichen Rauchpartikeln gestreut wird. Dies kann beispielsweise eine Photodiode sein, die auf die von der gerichteten Strahlenquelle des Rauchsensors ausgesandten Strahlung sensitiv ist.
Vorteilhafterweise werden dabei für die Strahlungsquelle zur Anregung der photoakustischen Messzellen und für die gerichtete Strahlungsquelle des Rauchsensors unterschiedliche Wellenlängenbereiche verwendet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden hiernach anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
1. eine rein erläuternde schematische Darstellung eines üblichen photoakustischen Gassensors zur Darstellung des photoakustischen Messprinzips;
2 ein Diagramm zum Aufzeigen der Abhängigkeit der Sensorsensivität des in 1 dargestellten Gassensors;
3 eine Darstellung vergleichbar der 1 zur Erläuterung von Strahlungsverlusten;
4 eine weitere rein erläuternde Darstellung einer nicht von der Erfindung umfassten Sensorvorrichtung zum Darstellen einer Verbesserung der Lichtausnutzung, wenn die an sich bekannte Anordnung von 3 mit einer Reflektoreinrichtung versehen wird;
5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktion eines Reflektorgehäuses, wie es bei einer erfindungsgemäßen photoakustischen Gassensor-Vorrichtung verwendbar ist;
6 eine Darstellung eines Reflektorgehäuses, wie es bei einer bekannten photoakustischen Gassensor-Vorrichtung nach dem Stand der Technik eingesetzt ist;
7 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen photoakustischen Gassensor-Vorrichtung;
8 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer photoakustischen Gassensor-Vorrichtung;
9 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen photoakustischen Gassensor-Vorrichtung; und
10 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform mit einer Schaltung zum Anschließen unterschiedlicher Messzelleneinheiten.
Im folgenden wird zunächst anhand den 1 bis 4 die Wirkungsweise eines photoakustischen Gassensors mit Reflektoranordnung erläutert. Dann wird anhand der 5 in Abgrenzung zum Stand der Technik nach 6 eine mögliche Konfiguration einer bei der Erfindung verwendbaren optischen Einrichtung zum Ausnutzen eines Großteils von ausgesandter Strahlung für den photoakustischen Effekt erläutert. Anschließend werden anhand den 7 bis 10 verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen photoakustischen Gassensor-Vorrichtung erläutert, die als Multisensorsystem zum Erfassen von mehreren unterschiedlichen Gasen unter Verwendung eines einzelnen Hardwarebauteiles ausgebildet ist.
Bei diesen in 7 bis 10 dargestellten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden hochselektive photoakustische Gassensoren derart angeordnet, dass sie eine Gruppierung von einzelnen ausgewählten Sensoren bilden. Derartige Gassensormodule können innerhalb eines einzelnen Hardwarebauteiles die folgenden drei Überwachungsprobleme lösen, die üblicherweise in (öffentlichen) Gebäuden und in mobilen Systemen zu bewältigen sind:

• Luftqualitätsüberwachung,
• Branderfassung,
• Gasleckerfassung.

Um die derzeit bei üblichen photoakustischen Gassensormodulen mit relativ einfachem Aufbau erreichbaren Sensivitäten (diese liegen in der Größenordnung von 100 ppm) zu verbessern, werden sphärische mehrfach reflektierende Absorptionswege vorgeschlagen, um eine effizientere Nutzung von Licht aus thermischen Infrarotquellen und verlängerte optische Weglängen in einem definierten Messraum zu erzielen.
Zusätzlich können Streulichtrauchdetektoren in die hier vorgeschlagenen Zellen integriert werden, um die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen bezüglich einer Branderfassung zu minimieren.
1 zeigt einen üblichen Aufbau eines einfach aufgebauten photoakustischen Gassensors.
Photoakustische Gassensoren weisen allgemein eine meist im infraroten Bereich wirksame Strahlungsquelle 10 auf, die in dem dargestellten Beispiel als thermische Strahlungsquelle ausgebildet ist und in diffuser Weise Lichtstrahlung 12 in unterschiedliche Richtungen aussendet. Weiter weist ein üblicher photoakustischer Gassensor eine Messzelle 14 auf, die mit demjenigen Gas gefüllt ist, welches detektiert werden soll. In dem Weg zwischen der Strahlungsquelle 10 und der Messzelle 14 befindet sich ein Messraum 16, der das zu messende Medium enthält, in welchem das zu erfassende Gas vorhanden sein kann. Die in die Messzelle 14 eintretende Lichtstrahlung 12 wird von dem Referenzgas in der Messzelle 14 absorbiert, wobei sich das Referenzgas erwärmt und daher ausdehnt, wodurch sich der Druck des Gases ändert. Wird die Lichtstrahlung 12 periodisch eingestrahlt, dann ergibt dies entsprechend periodische Druckschwankungen, die durch ein (nicht dargestelltes) Mikrofon erfasst werden kann.
Befindet sich bei dieser Anordnung kein zu erfassendes Gas in dem Messraum 16, wird entsprechend mehr Lichtstrahlung 12 in die Messzelle eingeleitet. Die Gasmoleküle des Referenzgases sprechen dabei auf eine bestimmte Wellenlänge der Lichtstrahlung an. Befindet sich aber ein solches Gas auch in dem Messraum 16, dann wird diese entsprechende Wellenlänge bereits in dem Messraum 16 je nach Konzentration des Gases mehr oder weniger absorbiert, so dass an dem Mikrofon der Messzelle ein kleineres Signal anliegt.
Das in 2 dargestellte Diagramm zeigt die Abhängigkeit des die Messzelle 14 erreichenden Lichtflusses Φ_ED bei der in 1 dargestellten Anordnung in Abhängigkeit von der Länge zwischen der Strahlungsquelle 10 und der Messzelle 14. Der Lichtfluss Φ_ED ist von dem Radius r_E der Strahlungsquelle 10, dem Radius r_D des Eintrittsfensters des Detektors, d. h. der Messzelle 14 und, wie dargestellt, von der Länge L des Messraumes 16 abhängig.
Will man diese Länge vergrößern, um so eine größere Absorptionsweglänge, innerhalb der das in dem Messraum 16 enthaltene Gas die entsprechende Lichtwellenlänge absorbieren kann, zu erhalten, dann kommt aufgrund der diffusen Abstrahlung der Lichtstrahlung 12 von der Strahlungsquelle 10 entsprechend weniger Strahlung in der Messzelle 14 an.
3 zeigt, dass der überwiegende Anteil der von der Strahlungsquelle 10 ausgesandten Lichtstrahlung 12 die Messzelle 14 gar nicht erreicht und somit verloren ist.
4 zeigt einen möglichen Ansatz, um diesen Verlust zu verringern. Hierbei ist zwischen der Strahlungsquelle 10 und der Messzelle 14 eine metallische Röhre 18 vorhanden, deren Innenwände poliert sind. Die Röhre 18 wirkt als Lichtleiter, die die in das der Strahlungsquelle 10 zugewandte Ende eingeleitete Lichtstrahlung 12 mehrfach reflektiert und somit zu der Messzelle 14 führt. Dadurch ergibt sich eine bessere Ausbeute der von der Strahlungsquelle 10 ausgesandten Lichtstrahlung 12.
Da bei jeder Reflexion etwas Lichtleistung verloren geht, wird immer noch Licht, das in Winkeln abgestrahlt wird, die weit von der direkten Sichtlinie entfernt sind, stark abgeschwächt.
5 zeigt daher eine photoakustischer Gassensoranordnung mit einer besonders wirksamen optischen Einrichtung zur Verbesserung der in die Messzelle 14 eingebrachten Lichtleistung. Die optische Einrichtung ist hier durch ein Reflektorgehäuse 20 gebildet, das im wesentlichen kugelförmig oder sphärisch geformt ist. Der Innenraum 22 des Reflektorgehäuses 20 bildet nun den Messraum 16. Zu diesem Zweck sind in dem Reflektorgehäuse 20 Gaseintrittsöffnungen 24 ausgebildet, durch die das zu messende Medium in den Messraum 16 eintreten kann. Wie in 5 dargestellt, wird durch die polierten Innenwände des Reflektorgehäuses 20 die Lichtstrahlung 12 mit relativ wenigen Reflexionen bis hin zu der Messzelle 14 geführt. Auf diese Weise werden Reflexionsverluste sogar für diejenigen Strahlen minimiert, die mit Winkeln ausgesandt werden, die weit entfernt von der direkten Sichtlinie zwischen der Strahlungsquelle 10 und der Messzelle 14 liegen. Damit wird das Infrarotlicht noch besser ausgenutzt.
Die 6 zeigt eine zweite Ausführungsform eines möglichen Reflektorgehäuses 26. Das Reflektorgehäuse 26 ist hier elliptisch und/oder parabolisch geformt. Durch die Anordnung der Strahlungsquelle 10 in einem Brennpunkt der Ellipse und der Messzelle 14 in dem anderen Brennpunkt der Ellipse lässt sich noch eine höhere Lichtausbeute erzielen. Ein großer Anteil der emitierten Lichtstrahlung 12 wird mit nur wenigen Reflexionen gesammelt.
Durch geschickte Ausbildung des Reflektorgehäuses 20, 26 in sphärischer Form lässt sich somit die Lichtausbeute besonders einfach um einen Faktor 100 bis 1000 gegenüber der in 1 dargestellten Anordnung erhöhen. Das Vorsehen eines Reflektorgehäuses 20, 26 ermöglicht außerdem eine höhere Systemkomplexität bei Verwendung nur einer einzelnen Infrarot-Strahlungsquelle 10.
7 zeigt eine erste Ausführungsform eines von der Erfindung umfassten Multisensorsystems unter Ausnutzung des photoakustischen Effektes. Die in 7 dargestellte photoakustischer Gassensor-Vorrichtung 30 weist die Strahlungsquelle 10, das Reflektorgehäuse 20 und eine erste Messzelle 32 zum Detektieren eines ersten Gases 33 (hier: CO₂), eine zweite Messzelle 34 zur Detektion eines zweiten Gases 35 (hier: CO) und eine dritte Messzelle 36 zum Erfassen eines dritten Gases 37 (hier: CH₄), auf. Die Strahlungsquelle 10 ist an einem ersten Wandbereich 40 des Reflektorgehäuses 20 angeordnet, welcher gegenüber der idealen Kugelform etwas abgeflacht ist, so dass der die Strahlungsquelle 10 umgebende erste Wandbereich 40 mit einem größeren Radius gekrümmt ist als der gegenüberliegende zweite Wandbereich 42. In diesem gegenüberliegenden zweiten Wandbereich 42 sind die drei Messzellen 32, 34, 36 untergebracht. Die Innenwandung 44 des Reflektorgehäuses 20 ist als Spiegelfläche zur möglichst effektiven Reflexion der IR-Lichtstrahlung 12 ausgebildet. Insbesondere besteht das Reflektorgehäuse 20 aus Metall, wobei die Innenwandung 44 poliert ist. Mit der in 7 dargestellten photoakustischen Gassensor-Vorrichtung 30 lässt sich so mit nur einer Strahlungsquelle 10 das in dem Messraum 16 befindliche Medium auf das Vorhandensein von drei unterschiedlichen Gasen 33, 35, 37 überwachen, wobei auch die Konzentration dieser Gase von der Quantität her festgestellt werden kann.
In 8 ist eine zweite Ausführungsform der photoakustischen Gassensor-Vorrichtung 50 dargestellt, die sich aus der in 7 dargestellten ersten Ausführungsform 30 durch das Hinzufügen einer auf Feuchtigkeit (z. B. H₂O-Dampf) sensitiven vierten Messzelle 52 ergibt. Diese vierte Messzelle könnte eine auf Wassermoleküle sensitive photoakustische Messzelle sein oder aber auch ein sonstiger auf Feuchtigkeit ansprechender Sensor.
Damit stellt die photoakustische Gassensor-Vorrichtung 50 gemäß der in 8 dargestellten zweiten Ausführungsform ein für mehrere Zwecke geeignetes Sensormodul dar, das sowohl zur Überwachung der Luftqualität (CO₂, H₂O), zur Brandüberwachung (CO₂, CO) als auch zur Erfassung von Kohlenwasserstoffen (z. B. CH₄) und damit zur Erfassung von Gaslecks dienen kann.
Ein solches Sensormodul könnte beispielsweise in der Luft- oder Raumfahrt zur Innenraumüberwachung eingesetzt werden.
In 9 ist noch eine dritte Ausführungsform 60 einer photoakustischen Gassensorvorrichtung dargestellt. Diese dritte Ausführungsform ergibt sich aus der in 8 dargestellten zweiten Ausführungsform 50 durch das Hinzufügen eines Rauchsensors 62.
Der Rauchsensor 62 weist eine gerichtete Strahlungsquelle in Form einer Laser-LED 64 und einen Strahlstopper 66 sowie einen Streulichtdetektor 68 auf.
Die Laser-LED 64 sendet einen gerichteten Lichtstrahl 70, wobei in dem Zielgebiet dieses gerichteten Lichtstrahles 70 der Strahlstopper 66 ausgebildet ist, der im Normalfall den gerichteten Lichtstrahl 70 möglichst vollständig absorbiert. Für den gerichteten Lichtstrahl 70 wird eine andere Wellenlänge benutzt als die Hauptlichtstrahlung 12 der Strahlenquelle 10. Der Streulichtdetektor 68 weist eine Fotodiode 72 auf, die auf die Wellenlänge des gerichteten Lichtstrahles 70, nicht jedoch auf die Lichtstrahlung 12 der Strahlenquelle 10 sensitiv ist. Trifft nun der gerichtete Lichtstrahl 70 auf Rauchpartikel 74 auf, die sich innerhalb des Messraumes 16 befinden, dann wird Streulicht 76 erzeugt, das direkt oder indirekt über Reflexion an dem Reflektorgehäuse 20 auf die Fotodiode 72 trifft. Auf diese Weise lässt sich die Anzahl von Rauchpartikeln 74 mittels der Fotodiode 72 feststellen.
Die 10 zeigt die elektrische Verschaltung der einzelnen Messzellen 32, 34, 36, 52, des Rauchsensors 62 sowie der Strahlungsquelle mittels eines Bussystems oder eines Netzwerkes. Das Netzwerk arbeitet nach dem neuen LIN-Standard, wie er durch die Firmen Audi, BMW, Daimler Chrysler, Freescale, Vulkano, VW festgelegt worden ist. Nähere Einzelheiten können unter www.linsubbus.org oder über das LIN Consortium, Freescale Halbleiter Deutschland GmbH erhalten werden. Wie genauer aus 10 ersichtlich, sind die erste bis dritte Messzelle 32, 34, 36 jeweils an ein Photoakustik-Slave-Submodul 80 angeschlossen. Das Photoakustik-Slave-Submodul nimmt das von dem Mikrofon der Messzelle 32, 34, 36 gelieferte Signal auf und sendet es über das Netzwerk. Je nach Aufbau der vierten Messzelle 52 ist diese ebenfalls an ein Photoakustik-Slave-Submodul 80 oder an ein gesondertes Feuchtigkeitssensor-Slave-Submodul 82 angeschlossen.
Die Laser LED 64 ist an ein Laser-Slave-Submodul 84 angeschlossen. Die Fotodiode 72 ist an ein Rauchsensor-Slave-Submodul 86 angeschlossen. Und die Strahlungsquelle 10 ist an ein Emitter-Slave-Submodul 88 angeschlossen.
Alle Slave-Submodule (SSM) 80, 82, 84, 86, 88 sind an einen Subbus 90 angeschlossen, der als Unternetz zur Steuerung der photoakustischen Gassensor-Vorrichtung 30, 50, 60 dient. Der Subbus 90 ist an eine Steuereinheit 62 angeschlossen, die als Master für den Bus 90 dient und als Interface zum Anschließen der Gassensor-Vorrichtung 30, 50, 60 an ein externes Netzwerk 94 dient. Das externe Netzwerk 94 ist in dem dargestellten Beispiel nach dem CAN-Standard ausgebildet.
Der LIN(Local Interconnect Network)-Standard wurde entwickelt, um ein einfaches Bussystem zur Kommunikation von Untergruppen in einem Fahrzeug mit größeren Einheiten zu realisieren. Beispielsweise können alle auf einem Lenkrad angeordneten Steuerungselemente, wie insbesondere Bedientasten für die Radiobedienung, Navigationsbedienung, aber auch Lenkstockhebelfunktionen oder dergleichen an einen solchen Subbus angeschlossen werden, der dann mit nur einer Busleitung über die Lenkradnabe mit der zentralen Fahrzeugsteuerung verbunden ist. Der LIN-Standard stellt ein vereinfachtes Bussystem zur Verfügung, das sich für Bussysteme mit einer relativ geringen Knotenanzahl eignet, bei dem die Masterfunktion von vorneherein festgelegt ist, und allenfalls weitere Slave-Module angeschlossen werden.
Selbstverständlich ist der LIN-Standard nur ein Beispiel für ein mögliches Anschlusssystem. Vergleichbare Busssysteme mit ähnlichen Eigenschaften sind ebenfalls geeignet.
Auch die Strahlungsquelle 10 ist in dem dargestellten Beispiel nur ein weiterer Knoten in dem Subbus-System, so dass die Ansteuerung der Strahlungsquelle 10 zur Modellierung der Lichtstrahlung 12 über den Subbus 90 erfolgen kann.
Als äußeres Bussystem kann beispielsweise je nach dem spezifischen Einsatzgebiet ein CAN-Bus, ein RS 485 MODBUS, ein Ethernet-Netzwerk u. s. w. ausgewählt werden. Die Steuereinheit 92 wird entsprechend zum Anschließen an das jeweilige äußere Netzwerk programmiert und/oder ausgewählt.

10: Strahlungsquelle – IR-Emitter –
12: Lichtstrahlung (IR-Strahlung)
14: Messzelle
16: Messraum
18: Metallische Röhre
20: Reflektorgehäuse
22: Innenraum
24: Gaseintrittsöffnungen
26: Reflektorgehäuse
30: Photoakustische Gassensor-Vorrichtung (erste Ausführungsform)
32: erste Messzelle
33: erstes Gas
34: zweite Messzelle
35: zweites Gas
36: dritte Messzelle
37: drittes Gas
40: erster Wandbereich
42: zweiter Wandbereich
44: Innenwandung
50: Photoakustische Gassensor-Vorrichtung (zweite Ausführungsform)
52: vierte Messzelle
60: Photoakustische Gassensor-Vorrichtung (dritte Ausführungsform)
62: Rauchsensor
64: Laser-LED
66: Strahlstopper
68: Streulichtdetektor
70: gerichteter Lichtstrahl
72: Fotodiode
74: Rauchpartikel
76: Streulicht
80: Photoakustik-Slave-Submodul
82: Feuchtigkeitssensor-Slave-Submodul
84: Laser-Slave-Submodul
86: Rauchsensor-Slave-Submodul
88: Emitter-Slave-Submodul
90: Subbus
92: Steuereinheit
94: externes Netzwerk

Claims

Photoakustische Gassensor-Vorrichtung (30, 50, 60) mit: einem Messraum (16) zur Aufnahme eines zu messenden Mediums, einer Strahlungsquelle (10), einer ersten an den Messraum (16) angeschlossenen photoakustischen Messzelle (32), die zum Erfassen eines ersten Gases (33) eingerichtet ist, und einer optischen Einrichtung zum Leiten von aus der Strahlungsquelle (10) ausgesandter Strahlung durch den Messraum (16) zu der ersten photoakustischen Messzelle (32), wobei wenigstens eine zweite photoakustische Messzelle (34), die zum Erfassen wenigstens eines zweiten, unterschiedlichen zu messenden Gases (35) eingerichtet ist, an den Messraum (16) angeschlossen ist und wobei die optische Einrichtung von der Strahlungsquelle (10) ausgesandte Strahlung (12) durch den Messraum (16) hindurch hin zu der ersten und zu der zweiten Messzelle (32, 34) leitet, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum im wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist und dass sphärische Begrenzungswände (44) des Messraumes (16) zumindest bereichsweise reflektierend ausgebildet sind, um die optische Einrichtung zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (10) eine divergierende IR-Strahlung aussendende thermische Strahlungsquelle (10) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum (16) durch den Innenraum (22) eines sphärischen Reflektorgehäuses (20, 26) gebildet ist, wobei an einem ersten Abschnitt (40) davon die IR-Strahlungsquelle angeordnet ist und an einem diametral gegenüberliegenden Abschnitt (42) die mehreren Messzellen (32, 34, 36, 52) nebeneinander an der Reflektorgehäusewand angeschlossen sind.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Messraum (16) mehrere Messzellen (32, 34, 36, 52) angeschlossen sind, die jeweils zur Erfassung mehrerer unterschiedlicher Gase (33, 35, 37) eingerichtet sind, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: CO₂, CO, H₂O (Feuchtigkeit; Dampf) und gasförmige Kohlenwasserstoffe, insbesondere CH₄.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Messraum (16) zusätzlich ein Rauchsensor (62) zum Erfassen von sich in dem Messraum (16) befindlichen Rauchpartikeln (74) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauchsensor (62) eine gerichtete Strahlenquelle zum Senden eines gerichteten Strahlbündels (70) durch den Messraum (16) auf einen begrenzten Zielbereich und außerhalb des Zielbereichs eine Strahlungsmesszelle zum Erfassen von durch Rauchpartikel (74) aus dem Strahlbündel abgelenkter Strahlung (76) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle eine Lasereinrichtung (64) und die Strahlungsmesszelle eine Photozelle (72) ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzellen (32, 34, 36, 52) mittels eines Kommunikationsnetzwerkes untereinander und mit einer gemeinsamen Steuereinheit (92) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationssystem ein Bussystem ist.