DE102006054165B3 - Langzeitstabile optische Sensoranordnung, insbesondere Wasserstoffsensor, und kombinierte Gassensoranordnung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Sensoranordnungen, und insbesondere auf derartige Sensoren, die im Kraftfahrzeug einsetzbar sind und Wasserstoff in einem gasförmigen Messmedium detektieren können. Erfindungsgemäß weist eine optische Sensoranordnung mindestens eine Strahlungsquelle (108) zum Aussenden von Strahlung, mindestens eine Messwandlereinheit (102), die in Antwort auf die Anwesenheit und/oder die Konzentration mindestens eines Analyten in einem Messmedium (104) ihre optischen Eigenschaften ändert und so angeordnet ist, dass sie mit wenigstens einem Teil der ausgesendeten Strahlung (110) wechselwirkt, eine erste Detektoreinheit (112) zum Erfassen einer Änderung der Strahlungsintensität infolge der geänderten optischen Eigenschaften der Messwandlereinheit und zum Ausgeben eines ersten Messsignals, und einen Lichtleitkörper (106), der für die ausgesendete Strahlung transparent ist, wobei die analytsensitive Messwandlereinheit (102) an mindestens einer Oberfläche des Lichtleitkörpers (106) so angeordnet ist, dass die ausgesendete Strahlung auf eine dem Messmedium (104) abgewandte Oberfläche der Messwandlereinheit auftritt, auf.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Sensoranordnung zum Nachweis mindestens eines Analyten in einem Messmedium und insbesondere auf Wasserstoffsensoren auf optischer Basis. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine kombinierte Gassensoranordnung zum Nachweis von Wasserstoff und von mindestens einem weiteren Gas.
  • Fossile Brennstoffe, wie Erdöl oder Erdgas, die bisher in der Automobiltechnik und Heizungstechnik hauptsächlich zum Einsatz kommen, sind in begrenztem Umfang vorhanden, teuer und nicht erneuerbar. Daher wird verstärktes Augenmerk auf alternative Energiequellen gelegt, die zu einem großen Teil Wasserstoff als transportablen Energieträger in Kombination beispielsweise mit einer Brennstoffzelle benützen. Es ist daher sowohl im Kraftfahrzeugtechnikbereich wie auch in der Heizungstechnik davon auszugehen, dass Wasserstoffgassensoren in zunehmendem Umfang benötigt werden. Dabei können derartige Wasserstoffsensoren einerseits zur Konzentrationsbestimmung für eine optimierte Regelung der Brennstoffzellen, aber auch andererseits im Rahmen einer Schwellenwertdetektion Alarmgeberfunktionen erfüllen. Um eine ausreichende Sicherheit, insbesondere auf dem Gebiet der Überwachung zu gewährleisten, ist es wünschenswert, dass derartige Wasserstoffsensoren robust und zuverlässig sind, dabei auf kostengünstige und einfache Weise herstellbar und gleichzeitig miniaturisiert und möglichst in integrierter Form aufgebaut werden können.
  • Weiterhin ist bekannt, für den Nachweis polarer Gase, beispielsweise Methan oder Kohlendioxid Infrarotgassensoren einzusetzen, die durch Auswertung der Absorptionseigenschaften des nachzuweisenden Gases in einem ganz spezifischen Wellenlängenbereich die Anwesenheit und/oder die Konzentration des betreffenden Gases bestimmen. Derartige Gassensoren weisen eine Strahlungsquelle, eine Absorptionsstrecke und einen Strahlungsdetektor auf. Die von dem Strahlungsdetektor gemessene Strahlungsintensität ist in ein Maß für die Konzentration des absorbierenden Gases und es kann entweder eine breitbandige Strahlungsquelle verwendet werden und über ein Interferenzfilter oder -gitter die interessierende Wellenlänge eingestellt werden, oder aber eine selektive Strahlungsquelle, beispielsweise eine lichtemittierende Diode oder ein Laser in Kombination mit lichtwellenlängenselektiven Strahlungsempfängern. Im Fall von CO2 ist dabei die charakteristische Wellenlänge im infraroten Wellenlängenbereich, nämlich bei 4,24 μm.
  • Aus der JP 61 201141 A ist ein optischer Wasserstoffsensor bekannt, bei dem ein Lichtleitkörper an einer ersten Oberfläche mit einer auflaminierten wasserstoffsensitiven Schicht versehen ist. Optische Fasern für die Lichtein- und Lichtauskopplung sind an zwei anderen Oberflächen des Lichtleitkörpers so angeordnet, dass die eingekoppelten Lichtstrahlen mit de wasserstoffsensitiven Schicht Wechselwirken und das ausgekoppelte Licht die Information über eine wasserstoffabhängige Farbänderung der wasserstoffsensitiven Schicht übertragen.
  • Aus der JP 62 170838 A ist ein Wasserstoffsensor bekannt, bei dem eine optische Lichtleitfaser in einem transparenten Substrat eingebettet ist und eine lichtabsorbierende Schicht sowie eine wasserstoffabsorbierende Schicht an einer Seite des Wellenleiters auflaminiert sind. Die wasserstoffsensitive Schicht erzeugt bei Anwesenheit von Wasserstoff ein Elektron und ein Proton, die wiederum in der lichtabsorbierenden Schicht zu einer Änderung des Absorptionskoeffizienten führen. Dadurch, dass das Ende der Lichtleitfaser stirnseitig mit einem Reflektor abgeschlossen wird, kann dieselbe Lichtleitfaser sowohl zum Einkoppeln wie auch zum Auskoppeln des zu analysierenden Lichts verwendet werden.
  • Aus der JP 2005 265590 A ist ein Wasserstoffsensor bekannt, bei dem die wasserstoffabhängige Reflektivität eines Dämpfungsspiegels als Messwandler zum Nachweis von Wasserstoff verwendet wird. Eine Lichtleitfaser sendet die Strahlung einer Lichtquelle auf die sensitive Schicht und leitet gleichzeitig den reflektierten Anteil, der die Information über den Wasserstoffgehalt enthält, zurück zu einem Photodetektor. Dabei befindet sich der zu untersuchende Messraum 7 auf der von der Lichtquelle bzw. dem Detektor abgewandten Seite der wasserstoffsensitiven Spiegelschicht.
  • Die US 6 006 582 A offenbart einen Wasserstoffsensor mit einem dünnen Seltenerdmetallfilm, der eine nachweisbare Änderung seiner physikalischen Eigenschaften durch die Einlagerung von Wasserstoff erfährt. Die sich ändernden physikalischen Eigenschaften sind die optische Durchlässigkeit, der elektrische Widerstand, der Magnetwiderstand und/oder die Photoleitfähigkeit. Weiterhin offenbart diese Druckschrift, dass in einem Wasserstoffdetektionssystem mit einer Vielzahl von Detektorelementen verschiedene physikalische Eigenschaften an unterschiedlichen Orten detektiert werden können.
  • Die Publikation ITO, K. et al: "Hydrogen detection based an coloration of anodic tungsten Oxide film"; Appl. Phys. Lett 60 (8), 24 February 1992, 938–940, offenbart ein Verfahren zum Detektieren von Wasserstoff mittels dünner Wolframoxidschichten, deren Reflektivität sich durch die Anwesenheit von Wasserstoff in gasförmiger Umgebung ändert. Das hier offenbarte Sensorsystem verwendet eine monochromatische Lichtquelle deren Lichtstrahl mittels eines Spiegels in die Gasmesskammer gelenkt wird, und weist einen optischen Detektor auf, der die Intensität des von der Sensorschicht reflektierten Lichts misst.
  • Im Kraftfahrzeugbereich gewinnt die Kohlendioxiddetektion zunehmend an Bedeutung. Dies ist zum einen dadurch bedingt, dass in Kraftfahrzeugen zur Erhöhung der Energieeffizienz für die Beheizung 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 und CO2-Gassensoren können eine Oberwachungsfunktion im Zusammenhang mit austretendem CO2 bei eventuellen Defekten erfüllen. Insbesondere im Kraftfahrzeugsbereich müssen derartige Sensoren höchste Anforderungen an Robustheit, Zuverlässigkeit und Miniaturisierbarkeit erfüllen und dabei gleichzeitig äußerst kostengünstig herstellbar sein.
  • Eine Aufgabenstellung, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht daher darin einen Wasserstoffsensor anzugeben, der insbesondere für den Einsatz im Kraftfahrzeugsbereich die ausreichende Robustheit und Zuverlässigkeit auch über eine längere Betriebsdauer hinweg erfüllt. Diese Aufgabe wird durch einen Wasserstoffsensor gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
  • Eine weitere Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, den Nachweis von mehr als einem Gas, insbesondere den Nachweis von Wasserstoff und einem polaren Gas, wie Kohlendioxid, auf besonders einfach und kostengünstige Art und Weise durchzuführen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die vorliegende Erfindung basiert dabei zunächst auf dem Grundgedanken, dass die Zuverlässigkeit eines Wasserstoffsensors dadurch erhöht werden kann, dass bei einem Wasserstoffsensor, der eine Strahlungsquelle zum Aussenden von Strahlung aufweist, sowie eine Messwandlereinheit, die in Antwort auf die Anwesenheit und/oder die Konzentration von Wasserstoff ihre optischen Eigenschaften ändert, die Messwandlereinheit so an einem Lichtleitkörper angebracht wird, dass die ausgesendete Strahlung auf eine dem Messmedium abgewandte Oberfläche der Messwandlereinheit auftrifft.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Sensoranordnung so ausgestaltet, dass nicht nur eine Detektoreinheit zum Erfassen der Änderung der Strahlungsintensität und zum Erzeugen des eigentlichen Messsignals vorgesehen wird, sondern zusätzlich eine zweite, redundante Detektoreinheit zum Erzeugen eines Korrektursignals vorgesehen wird. Mit Hilfe dieses Korrektursignals und einer geeigneten elektronischen Steuerung kann das auszugebende Messsignal entsprechend kalibriert werden. Dabei dient eine derartige Kalibrierung vor allem einer Alterungskompensation der optischen Strahlenquelle sowie einer zusätzlichen Plausibilitätsüberprüfung des gesamten Sensorsystems.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert diese redundante, diversifizierte Auswertung auf der Nutzung zweier unterschiedlicher physikalischer Effekte einer Sensorschicht. So ist beispielsweise aus B. Farangis et al „A ROOM-TEMPERATURE OPERATED HYDROGEN SENSOR BASED ON NICKEL-MAGNESIUM FILMS", Poc. of the 20th EUROSENSORS Conference, Göteborg, Sweden, 17th–19th September 2006, Paper T1C-P5, bekannt, dass dünne Nickelmagnesiumlegierungen bei Einlagerung von Wasserstoff sowohl ihre optischen Eigenschaften, insbesondere ihr Reflexionsvermögen, als auch ihre elektrischen Eigenschaften, insbesondere ihren elektrischen Widerstand, ändern. Erfindungsgemäß kann daher für Sicherheitsanwendungen eine kombinierte Auswertung dieser beiden Effekte durch separate Detektoreinheiten vorgenommen werden.
  • Alternativ kann aber als redundante Detektoreinheit auch eine optische Detektoreinheit verwendet werden, welche die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle unmittelbar erfasst. Die mit einem solchen Detektor gewonnene Information ist unmittelbar mit dem Alterungsverhalten der Strahlungsquelle korreliert und kann zur Kalibrierung des Wasserstoffsensors herangezogen werden.
  • Auch das Vorsehen einer zusätzlichen Referenzstrahlungsquelle, die nur in größeren Zeitabständen zu Kalibrierungszwecken betrieben wird, wie dies beispielsweise aus der DE 199 25 196 A1 für CO2-Sensoren bekannt ist, kann bei dem erfindungsge mäßen Wasserstoffsensor vorgesehen werden. Die Verwendung von Nickelmagnesiumschichten, die als durch die Aufnahme von Wasserstoff veränderlicher Spiegel fungieren, hat den Vorteil, dass eine besonders stabile und langlebige Messwandlerschicht bereitgestellt werden kann, die vergleichsweise schnell und vor allem bei Raumtemperatur funktioniert. Darüber hinaus lässt sich eine derartige sensitive Schicht beispielsweise mittels einer in Halbleiterprozessen üblichen Sputtertechnik auf beliebige Substrate aufbringen.
  • Der Wasserstoffsensor kann dabei auf kostengünstige Weise als Lichtleitkörper eine Glas- oder Kunststoffstruktur aufweisen, die mit wasserstoffempfindlichen metallischen Spiegelschicht so beschichtet wird, dass eine Oberfläche der Spiegelschicht mit dem zu analysierenden Messmedium in Kontakt gebracht wird, und gleichzeitig eine dem Messmedium abgewandte Oberfläche mit der Strahlungsquelle beleuchtet wird, so dass ein Strahlungsempfänger das Reflexionsvermögen der metallischen Spiegelschicht anhand der auf ihn auftreffenden Strahlungsintensität detektieren kann.
  • Die vorliegende Erfindung basiert weiterhin auf der Idee, zum Realisieren einer besonders kompakten Gassensoranordnung einen optischen Wasserstoffsensor und einen Infrarotgassensor zu kombinieren. Insbesondere im Kraftfahrzeugbereich kann hier eine Kombination aus einem Wasserstoffsensor mit einem CO2-Sensor wertvolle Synergien liefern. Beispielsweise kann eine derartige kombinierte Gassensoranordnung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform mit nur einer einzigen Strahlungsquelle für beide Sensorprinzipien auskommen. Zusätzlich können aber bei dieser Anordnung die redundanten Auswertungsprinzipien durch eine diversifizierte Auswertung der verschiedenen Detektoren Anwendung finden und so die Alterung der Strahlungsquelle korrigiert werden.
  • Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten vorteilhaften Ausgestaltungen wird die vorliegende Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigen:
  • 1 einen schematischen Schnitt durch eine Grundanordnung für eine optische Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung der optischen Auswerteschaltung für die Anordnung aus 1;
  • 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen redundanten Auswertung unter Verwendung eines weiteren optischen Detektors;
  • 4 die Anordnung aus 1 mit einer zusätzlichen Referenzstrahlungsquelle;
  • 5 eine schematische Darstellung eines Wasserstoffsensors mit redundanter Auswertung unter Verwendung zweier wasserstoffabhängiger Sensorprinzipien;
  • 6 die Kombination eines Infrarotgassensors mit einem Wasserstoffsensor gemäß einer ersten Ausführungsform;
  • 7 eine schematische Darstellung einer kombinierten Gassensoranordnung basierend auf den Ausführungsformen der 5 und 6;
  • 8 die schematische Darstellung einer kombinierten Gassensoranordnung mit zusätzlichem Detektor zur Überprüfung der Lampenalterung;
  • 9 eine erste Realisierung eines Wasserstoffsensorlichtleitkörpers mit einer metallischer Messwandlerschicht auf einem separaten Träger;
  • 10 eine zweite Ausführungsform eines Lichtleitkörpers mit direkt abgeschiedener wasserstoffsensitiver Schicht;
  • 11 einen schematischen Schnitt durch eine integrierte Wasserstoffsensoranordnung, die auf einem Schaltungsträger aufgebaut ist.
  • Der Aufbau und die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Sensoranordnung am Beispiel eines optischen Wasserstoffsensors soll im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer erläutert werden. In 1 ist eine Grundanordnung für die erfindungsgemäße Gassensoranordnung in ihrer einfachsten Realisierungs form dargestellt. Dabei wird in der nachfolgenden Beschreibung stets davon ausgegangen, dass es sich um einen wasserstoffsensitiven Sensor handelt. Die erfindungsgemäßen Prinzipien können aber selbstverständlich für andere Analyte verwendet werden, für die sensitive Schichten verfügbar sind, die bei Einlagerung des in Frage kommenden Analyten ihre optischen Eigenschaften ändern. Weiterhin wird als Messmedium 104 im Folgenden ein Messgas bezeichnet, das den (oder die) Analyten enthält. Es kann aber die Messung bei geeigneter Auslegung der sensitiven Schicht, nachfolgend oft als Messwandlereinheit bezeichnet, und der übrigen Komponenten auch in flüssigen Medien durchgeführt werden.
  • Erfindungsgemäß weist die Sensoranordnung 100 als Messwandler 102 einen gassensitiven Spiegel auf. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine wasserstoffsensitive Spiegelschicht handeln, deren Reflexionsvermögen sich in Antwort auf die Anwesenheit und/oder die Konzentration von Wasserstoff ändert, wie dies in B. Farangis et al „A ROOM-TEMPERATURE OPERATED HYDROGEN SENSOR BASED ON NICKEL-MAGNESIUM FILMS", Poc. Of the 20th EUROSENSORS, Göteborg, Sweden, 17th–19th September 2006, Paper T1C-P5, beschrieben ist. Erfindungsgemäß ist die Messwandlerschicht auf einer ersten Oberfläche mit dem Messgas in Kontakt. Um die Auswertung der Transducer-Reaktion mit dem Messgas 104 auswerten zu können, ist die Messwandlerschicht 102 auf einer zweiten Oberfläche, von dem Messmedium 104 abgewandten Oberfläche in Kontakt mit einem Lichtleitkörper 106. Dieser Lichtleitkörper wird von einer Strahlungsquelle 108 so durchstrahlt, dass die Messwandlerschicht 102 mit der emittierten Strahlung 110 wechselwirkt.
  • In der gezeigten Ausführungsform ist die Spiegelschicht 102 gegen die Einstrahlungsrichtung der Messstrahlung 110 so geneigt, dass bei maximalem Reflexionsvermögen annähernd die gesamte Infrarottrahlung in Richtung auf eine Detektoreinheit 112 reflektiert wird. Optional kann ein Filter 114 die auf den Detektor 112 auftreffende reflektierte Strahlung auf einen bestimmten Wellenlängenbereich einschränken. Ändert sich nun die Konzentration des interessierenden Gases in dem Messmedium 104, so ändert sich die Reflektivität der Messwandlerschicht 102 und somit die Intensität der reflektierten Strahlung, die an der Detektoreinheit gemessen werden kann.
  • Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass die für die eigentliche Messung verwendete Schichtseite nicht mit dem Messmedium 104 in Kontakt kommt und so eine erhöhte Präzision der Messung und Lebensdauer der Sensoranordnung gewährleistet ist.
  • Die Strahlungsquelle 108 kann selbstverständlich die verschiedensten Wellenlängen abstrahlen, wird aber in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Infrarotstrahlungsquelle, beispielsweise eine Lampe, die ein breitbandiges Lichtspektrum aussendet, gebildet. Alternativ könnten auch lichtemittierende Dioden (LED) verwendet werden.
  • Als Detektor 112 kommen alle geeigneten Infrarotdetektoren in Frage und das erfindungsgemäße Verfahren kann an den jeweiligen Detektortyp angepasst werden.
  • Beispielsweise kann es sich bei dem Detektor 112 um ein Pyroelement, einen Infrarotthermopile oder um eine Photodiode handeln. Dabei sollte der jeweils geeignete Detektor entsprechend den jeweiligen Anforderungen gewählt werden. So bietet die Photodiode den Vorteil, dass sie ein vergleichsweise kostengünstiges Bauteil darstellt, während die Thermosäule, wie der Thermopiledetektor auch genannt wird, den Vorteil einer besonders hohen und gleichmäßigen Absorption der Strahlung im selektierten Spektralbereich bietet. Pyroelektrische Sensoren schließlich haben den Vorteil einer sehr hohen Empfindlichkeit und einer miniaturisierten, für integrierte Anordnungen gut geeigneten Herstellbarkeit.
  • Erfindungsgemäß kann der Lichtleitkörper 106 aus einem für die interessierende Strahlung transparenten Festkörper, der beispielsweise aus Glas oder Kunststoff hergestellt wird, gebildet sein. Damit kann, wie später noch mit Bezug auf die Anordnung der 11 deutlich wird, ein integrierbarer, aber modularer Aufbau realisiert werden, bei dem die Messwandlereinheit bei Bedarf einfach und schnell austauschbar ist. Unter bestimmten Umständen, beispielsweise beim Nachweis von Analytmolekülen in stark kontaminierter Umgebung, ist sogar das Vorsehen von Wegwerflichtleitkörpern für die Einmalmessung denkbar.
  • Um eine möglichst gute Ausbeute an Strahlung an der Messwandlerschicht 102 sicherzustellen, kann der Lichtleitkörper 106 an den nicht für die Einstrahlung, die Wechselwirkung mit der sensitiven Schicht und für die Abstrahlung an den Detektor benötigten übrigen Flächen mit einer lichtundurchlässigen Beschichtung 116 versehen sein. Die lichtundurchlässige Beschichtung soll auch verhindern, dass Fremdlicht von außen in den Lichtleitkörper eindringt und so das Signal verfälscht.
  • Mit Bezug auf die 2 soll nun der Schritt der optischen Auswertung bei der Grundanordnung aus 1 näher erläutert werden. Dabei wird die Strahlungsquelle 108 von einer elektrischen Ansteuerschaltung 118, die entweder als separates Bauteil oder aber als Teil einer Mikrocontrolersteuerung vorgesehen werden kann, angesteuert. Dabei kann die Lampe entweder kontinuierlich oder aber mit einer bestimmten Frequenz gepulst betrieben werden. Es wird meist eine konstante Frequenz und ein bestimmtes Tastverhältnis gewählt, so dass Störungen dadurch vermindert werden können, dass bei der Signalverarbeitung im Detektor ein schmalbandiges Filter verwendet wird, dessen Filterfrequenz der Impulsfrequenz, mit der die Strahlungsquelle gepulst wird, entspricht.
  • Die einfallende Strahlung 110 wird entsprechend dem Analytgehalt in dem Messmedium 104 von der Messwandlerschicht 102 reflektiert, der interessierende Wellenlängenbereich durch das Filter 114 hindurch gelassen und von der Detektoreinheit 112 erfasst. Eine Auswerteeinheit (oder Auswerteschaltung) 120 bearbeitet das Ausgangsignal der Detektoreinheit 112 und liefert als Ausgabe 122 ein mit der Analytkonzentration in dem Messmedium 104 korreliertes Ausgangssignal, das auch als Messsignal bezeichnet werden kann.
  • Insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen, beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich, und bei Anwendungen, die lange Lebensdauern bei gleich bleibender Zuverlässigkeit verlangen, besteht aber das Problem, dass bei der Anordnung gemäß der 2 Alterungseffekte in irgendeiner der Komponenten, vor allem bei der Strahlungsquelle 108, zu einer gravierenden Verschlechterung der Sensoreigenschaften führen. Deshalb wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die einfache optische Auswertung der 2 um einen oder mehrere Redundanzzweige zu erweitern.
  • 3 zeigt eine erste Möglichkeit, einen derartigen Redundanzzweig 124 zu realisieren. Dabei ist zusätzlich zu der ersten Detektoreinheit 112, die den von der Messwandlerschicht 102 beeinflussten reflektierten Lichtstrahl 111 auswertet, eine zweite Detektoreinheit 126 vorgesehen, die unmittelbar die von der Strahlungsquelle 108 emittierte Strahlung misst und als eine Art Referenzwert zur Verfügung stellt. Durch den zusätzlichen Strahlungsempfänger 126 kann die Lampenalterung unabhängig von Messeffekten und Alterungseffekten der Messwandlerschicht 102 verglichen werden und damit eine zusätzliche Sicherheit gewonnen werden. Zum Beispiel kann festgestellt werden, ob das von dem eigentlichen Messdetektor 112 gelieferte Signal plausibel ist, weil beispielsweise das Signal des zusätzlichen Detektors 126 immer größer sein muss als das des ersten Detektors, da keine Dämpfungseffekte in Folge der Umlenkung durch den Lichtleitkörper 106 auftreten. Somit können im Betrieb bestimmte Fehlerfälle der einfachen optischen Auswertung gemäß 2 erkannt und möglicherweise korrigiert werden.
  • Eine Korrektureinheit 128 liefert beispielsweise an die Auswerteschaltung 120 einen Korrekturfaktor, der eingerechnet werden kann, bevor das Ausgangsignal 122 ausgegeben wird.
  • Eine zweite vorteilhaft Realisierungsmöglichkeit eines Redundanzzweiges 124 ist in 4 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird, ähnlich wie dies für CO2-Absorptionssensoren bekannt ist (siehe DE 199 25 196 A1 ) eine zusätzliche Referenzstrahlungsquelle 130 vorgesehen. Die Referenzstrahlungsquelle 130 wird dabei nur intermittierend betreiben und es wird näherungsweise davon ausgegangen, dass die Referenzstrahlungsquelle 130 im Wesentlichen den Anfangszustand ohne Alterung bewahrt. Die Referenzspannungsquelle 130 wird dann in großen zeitlichen Abständen zur Überprüfung des Alterungszustandes der eigentlichen Messstrahlungsquelle 108 eingeschaltet und die Auswerteeinrichtung 120 ermittelt aus Abweichungen bezüglich der Ausgangssignale der Detektoreinrichtung 112 bei eingeschalteter Referenzstrahlungsquelle bzw. bei eingeschalteter Messstrahlungsquelle die Alterung der Messstrahlungsquelle und gleicht sie gegebenenfalls rechnerisch aus.
  • Speziell im Fall einer Gassensoranordnung 100 für Wasserstoff, die auf wasserstoffsensitiven Metallisierungsschichten basiert, deren Reflexionsvermögen durch die Einlagerung des Analyten verändert wird, besteht die Möglichkeit einer weiteren, besonders eleganten Möglichkeit, einen Redundanzzweig 124 vorzusehen, die in 5 skizziert ist. Dabei basiert die hier gezeigte Anordnung auf der Idee, dass bei einer Nickelmagnesiumschicht gemäß B. Farangis et al „A ROOM-TEMPERATURE OPERATED HYDROGEN SENSOR BASED ON NICKEL-MAGNESIUM FILMS", Poc. Of the 20th EUROSENSORS, Göteborg, Sweden, 17th–19th September 2006, Paper T1C-P5, nicht nur die optischen Eigenschaften durch die Einlagerung von Wasserstoff verändert werden, sondern auch die elektrische Leitfähigkeit.
  • Erfindungsgemäß kann deshalb die Messwandlereinheit 102 zusätzlich zu der optischen Auswertung durch den Detektor 112 elektrisch kontaktiert werden und mittels einer weiteren Auswerteschaltung 132 die Impedanz gemessen werden. Eine zentrale Steuerung 134 empfängt die Signale der Auswerteeinrichtungen 120 und 132 und ermittelt nach Plausibilitätsprüfungen einen Ausgabewert 122. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die zentrale Steuerung 134 die Ansteuerschaltung der Strahlungsquelle 118 entsprechend korrigiert. Die Grundidee dieser in 5 gezeigten Variante besteht darin, dass über die Auswertung eines von der Strahlungsquelle und deren Zustand unabhängigen Effekts Rückschlüsse auf eine Alterung der Strahlungsquelle 108 gezogen werden können. Eine derartige diversifizierte Auswertung kann auf besonders einfache Weise eine Sicherheitsfunktion ermöglichen. Im einfachsten Fall wird die Metallschicht 102 mit definierten Abmessungen strukturiert, so dass eine Messung des ohmschen Widerstandes als Redundanzzweig möglich wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung soll in Bezug auf 6 genauer erläutert werden. Dabei basiert diese Ausführungsform auf der Idee, als Redundanzzweig 124 eine komplette zusätzlich Gassensoranordnung, in diesem Fall einen CO2-Sensor zu verwenden, der nach dem NDIR (non dispersive infrared)-Prinzip arbeitet und dieselbe Strahlungsquelle 108 wie die Wasserstoffsensorkomponente verwendet.
  • Eine solche kombinierte Gassensoranordnung, die beispielsweise sowohl dem Nachweis von Wasserstoff, wie auch den Nachweis von Kohlendioxid (oder eines anderen polaren Gases) mit einem einzigen Bauelement ermöglicht, bietet neben der Redundanz und der damit verbundenen Erhöhung der Betriebssicherheit den Vorteil, dass die Strahlungsquelle 108 zentral genutzt werden kann, was einen Kostenvorteil bedingt und die sicherheitsrelevanten Plausibilitätsüberprüfungen verbessert.
  • Dabei kann die Absorptionsmessstrecke 136 des NDIR-Sensors in Form einer Messküvuette ausgestaltet werden, die einstückig mit dem transparenten Lichtleit körper 106 für den H2-Sensor in einem gemeinsamen Kunststoffspritzteil integriert ist. Die wasserstoffsensitive Schicht kann dann in einem kostengünstigen Batch-Prozess an der vorgesehenen Stelle aufgebracht werden.
  • Wie beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2004 007 946 A1 bekannt, kann auch die erfindungsgemäße kombinierte Gassensoranordnung, die sowohl eine Absorptionsmessstrecke für den Nachweis eines polaren Gases wie auch eine die Reflexion ändernde wasserstoffsensitive Schicht und einen Lichtleitkörper gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, in einer integrierten, in oberflächenmontierbarer (SMT)-Technik herstellbarer Weise aufgebaut werden. Dies soll später noch mit Bezug auf 11 genauer erläutert werden.
  • Selbstverständlich kann die kombinierte Gassensoranordnung gemäß der 6 mit einigen oder allen der in den bisherigen Ausführungsbeispielen gezeigten Redundanzzweigen ausgestattet werden.
  • Die 7 zeigt beispielsweise den Fall, in dem an der wasserstoffsensitiven Schicht 102 zusätzlich der elektrische Widerstand abgegriffen wird, um den Alterungszustand der Strahlungsquelle 108 kompensieren zu können.
  • 8 zeigt die Ausführungsform, bei der ein weiteres Detektorelement 126, 136, 138 verwendet wird, um unmittelbar die Eigenschaften der Strahlungsquelle 108 ohne die Einflüsse durch die Absorptionsstrecke 136 oder den Lichtleitkörper 106 und die Messwandlerschicht 102 zu überwachen. Auch wenn die hier gezeigten Auswerteschaltungen und Steuereinheiten als separate Einheiten skizziert sind, so ist doch für einen Fachmann klar, dass alle diese Controllerfunktionen in einem einzigen Bauteil realisiert werden können.
  • Die NDIR-Gassensorkomponente zum Nachweis für ein polares Gas umfasst gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform weiterhin, wie dies bei bekannten derartigen Anordnungen üblich ist, ein Transmissionsfilter 138, das nur die jeweils interessierende Wellenlänge, bei CO2 beispielsweise 4,25 Mikrometer, zu der Detektoreinheit 140 gelangen lässt.
  • Durch die erfindungsgemäße Kombination eines Wasserstoffsensors mit einem NDIR-Sensor für polare Gase kann insbesondere im Zusammenhang mit Kraftfahr zeugsanwendungen neben einer Alterungskompensation der optischen Strahlungsquelle und der Plausibilitätsüberprüfung des gesamten Sensorsystems eine besonders kompakte und kostengünstige Bauweise realisiert werde. Es kann die Langzeitstabilität, die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit durch eine diversifizierte Auswertung der wasserstoffselektiven Beschichtung erreicht werden und durch die gemeinsame Nutzung der optischen Strahlenquelle gegenüber zwei separaten zwei Einzelsensoren für Wasserstoff und Kohlendioxid kann ein signifikanter Raum- und Kostenvorteil erreicht werden.
  • Verschiedene Herstellungsmöglichkeiten einer wasserstoffempfindlichen Messwandlereinheit 102 sind einander mit den 9 und 10 gegenübergestellt. So kann zum einen, wie dies in 9 gezeigt ist, die Messwandlerschicht 102 auf einen eigenen Träger 142 aufgebracht und gegebenenfalls mit den entsprechenden elektrischen Anschlüssen versehen werden. Die Trägerplatte wird dann auf dem Lichtleitkörper 106 montiert. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass derartige plane Trägerplatten 142 leichter beschichtet werden können als dreidimensionale Lichtleitkörper. Allerdings werden an die Grenzflächen des Lichtleitkörpers 106 und der Trägerplatte 142, die miteinander in Kontakt kommen und durch die hindurch die Messstrahlung 110 auf die sensitive Schicht 102 fällt, hohe Anforderungen gestellt. Deshalb kann unter bestimmten Bedingungen die in 10 gezeigte Ausführungsform, bei der die wasserstoffsensitive Messwandlerschicht 102 unmittelbar auf den Lichtleitkörper 106, beispielsweise mittels einer Sputtertechnik, aufgebracht wird, vorzuziehen sein.
  • Eine oberflächenmontierbare Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wasserstoffsensors im Wesentlichen entsprechend dem Redundanzprinzip der 3 ist in 11 skizziert. Ein gedruckter Schaltungsträger, beispielsweise ein Printed Circuit Board (PCB) 144 nimmt eine Strahlungsquelle 108 sowie zwei Strahlungsempfänger 112, 126 auf. Über diesen Elementen wird der Lichtleitkörper 106 montiert, wobei der Lichtleitkörper auf der Seite des eigentlichen Messdetektors 112 eine wasserstoffselektive Spiegelschicht 102 trägt, die mit einem Messmedium in Kontakt steht. Die nicht aktive Oberfläche des Lichtleitkörpers ist mit einer lichtundurchlässigen Schicht 116 abgedeckt. Um mögliche Störeinflüsse aufgrund der Strahlungsquelle oder der Temperatur losgelöst von den wasserstoffselektiven Effekten beurteilen zu können, ist auf der Seite des redundanten Detektors 126 eine einfache nicht selektive Spiegelschicht 146 in ansonsten zu der selektiven Schicht 102 symmetrischer Art und Weise angebracht. Die Auswerteschaltungen, hier nicht dargestellt, können auf demselben Schaltungsträger 144 angeordnet werden oder aber separat von der Gassensoranordnung der 11 vorgesehen sein. In die Zeichenebene hinein kann eine Küvette für den CO2-Nachweis vorgesehen werden.
  • Ein wesentlicher Vorteil der in 11 gezeigten Anordnung ist darin zu sehen, dass der Lichtleitkörper 106, falls er durch den Kontakt mit dem Messmedium 104 kontaminiert sein sollte oder falls entsprechende Richtlinien dies verlangen, problemlos ausgetauscht werden kann, ohne dabei die teureren Komponenten, welche mit der Leiterplatte 144 fest verbunden sind, auswechseln zu müssen. Der Lichtleitkörper 106 als solches stellt ein kostengünstig in Massenproduktion herstellbares Wegwerfteil dar. Somit kann eine solche Anordnung bei künftigen Fahrzeugen, die mit Wasserstoff betrieben werden oder eine Brennstoffzelle einsetzen, sinnvoll zum Einsatz kommen.

Claims (16)

  1. Optische Sensoranordnung zum Nachweis mindestens eines Analyten in einem Messmedium (104) umfassend: mindestens eine Strahlungsquelle (108) zum Aussenden von Strahlung, mindestens eine Messwandlereinheit (102), die in Antwort auf die Anwesenheit und/oder die Konzentration des Analyten in dem Messmedium (104) ihre optischen Eigenschaften ändert und so angeordnet ist, dass sie mit wenigstens einem Teil der ausgesendeten Strahlung (110) wechselwirkt, eine erste Detektoreinheit (112) zum Erfassen einer Änderung der Strahlungsintensität infolge der geänderten optischen Eigenschaften der Messwandlereinheit und zum Ausgeben eines ersten Messsignals, und einen Lichtleitkörper (106), der für die ausgesendete Strahlung transparent ist, wobei die analytsensitive Messwandlereinheit (102) an mindestens einer Oberfläche des Lichtleitkörpers (106) so angeordnet ist, dass die ausgesendete Strahlung auf eine dem Messmedium (104) abgewandte Oberfläche der Messwandlereinheit auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung mindestens eine zweite Detektoreinheit (126, 132) zum Erzeugen eines Korrektursignals zum Kalibrieren mindestens des ersten Messsignals aufweist, wobei die Messwandlereinheit (102) so ausgebildet ist, dass sich in Antwort auf die Anwesenheit und/oder die Konzentration des Analyten eine von den optischen Eigenschaften unterschiedliche physikalische Eigenschaft ändert und die mindestens eine zweite Detektoreinheit (132) zum Erfassen der Änderung der weiteren physikalischen Eigenschaft eingerichtet ist.
  2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Messwandlereinheit eine wasserstoffsensitive metallische Spiegelschicht umfasst, deren Reflexionsvermögen sich in Antwort auf die Anwesenheit und/oder die Konzentration von Wasserstoff ändert.
  3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, wobei die erste Messwandlereinheit (102) eine Schicht aus einer Magnesium-Nickel-Legierung umfasst.
  4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, wobei die erste Messwandlereinheit (102) eine Palladium-Deckschicht aufweist.
  5. Sensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Strahlung (110) Infrarotstrahlung ist und die mindestens eine Strahlungsquelle (108) durch eine Infrarotstrahlungsquelle, vorzugsweise eine ein breitbandiges Lichtspektrum emittierende Lampe oder eine lichtemittierende Diode, gebildet ist.
  6. Sensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die weitere physikalische Eigenschaft eine elektrische Impedanz ist und die zweite Detektoreinheit (132) eine Impedanzmessvorrichtung umfasst.
  7. Sensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die zweite Detektoreinheit (126) eine optische Detektoreinheit, welche die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle (108) unmittelbar erfasst, aufweist.
  8. Sensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, der weiterhin eine zweite Messwandlereinheit (136) aufweist, die eine Absorptionsmessstrecke zum Nachweis eines polaren Gases umfasst.
  9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, wobei die zweite Messwandlereinheit (136) so angeordnet ist, dass die Absorptionsmessstrecke mit derselben Strahlungsquelle (108) wie die erste Messwandlereinheit wechselwirkt.
  10. Sensoranordnung nach Anspruch 9, wobei in dem Lichtleitkörper (106) weiterhin eine Küvette, die als zweite Messwandlereinheit (136) die Absorptionsmessstrecke bildet, ausgeformt ist.
  11. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, die mindestens eine weitere Detektoreinheit (140) zum Erfassen einer Änderung der Strahlungsintensität infolge der geänderten optischen Eigenschaften der zweiten Messwandlereinheit (136) und zum Ausgeben eines zweiten Messsignals aufweist.
  12. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die zweite Messwandlereinheit (136) zum Nachweis von Kohlendioxid eingerichtet ist.
  13. Sensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, die weiterhin eine Referenzstrahlungsquelle (130) zum Überprüfen eines Alterungszustandes der Strahlungsquelle (108) umfasst.
  14. Sensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei mindestens die Strahlungsquelle (108), der Lichtleitkörper (106) und die Detektoreinheit (112, 126, 140) auf einem gedruckten Schaltungsträger (144) aufgebaut sind.
  15. Sensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Lichtleitkörper (106) in einer Spritzgusstechnik aus Kunststoff herstellbar ist.
  16. Sensoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Messwandereinheit (102) in Form einer metallischen Spiegelschicht durch Sputtern oder Aufdampfen auf dem Lichtleitkörper (106) abgeschieden ist.
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