DE102009026951B4

DE102009026951B4 - Spektroskopischer Gassensor

Info

Publication number: DE102009026951B4
Application number: DE102009026951.7A
Authority: DE
Inventors: Axel Kaschner; Paul Koop
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2021-09-16
Anticipated expiration: 2029-06-17
Also published as: DE102009026951A1

Abstract

Spektroskopischer Gassensor (1, 31) mit einer Infrarotquelle (2, 2'), einer Absorptionskammer (3, 3'), einem optischen Filter (32) und einem Detektor (5, 33) mit einem ersten Detektorelement (9, 35), zur Ausbildung eines Messstrahls (6, 6') von der Infrarotquelle (2, 2') durch die Absorptionskammer (3, 3') und das optische Filter (32) zu dem Detektor (5, 33), wobei das erste Detektorelement (9, 35) in dem Messstrahl (6, 6') angeordnet ist und ein Messsignal erzeugt, wobei der Detektor (5, 33) ein pyroelektrischer Detektor mit einer internen Temperaturkompensationseinrichtung (11, 37) ist, welche ausgebildet ist, aus dem Messsignal ein temperaturkompensiertes Ergebnissignal zu erzeugen,wobei der Detektor (33) eine Detektorkammer (34) mit dem ersten Detektorelement (35) und einem zweiten Detektorelement (36) aufweist, wobei das erste und zweite Detektorelement (35, 36) im Wesentlichen gleichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, wobei das zweite Detektorelement (36) nicht in dem Messstrahl (6') angeordnet ist und ein Referenzsignal erzeugt, und die Temperaturkompensationseinrichtung (37) eine Auswerteelektronik (38) aufweist, wobei die Auswerteelektronik (38) ausgebildet ist, einen Einfluss der Umgebungsbedingungen auf das erste Messsignal mittels des Referenzsignals zu kompensieren,dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filter (32) sowohl zwischen der Absorptionskammer (3, 3') und dem ersten als auch zwischen der Absorptionskammer und dem zweiten Detektorelement (35, 36) angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem spektroskopischen Gassensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE 10 2004 044 142 B3 ist ein spektroskopischer Gassensor bekannt mit einer Infrarotquelle, einer Absorptionskammer, einem optischen Filter und einem Detektor, zur Ausbildung eines Messstrahls von der Infrarotquelle durch die Absorptionskammer und das optische Filter zu dem Detektor. Solche Gassensoren lassen sich als sehr klein bauen und kostengünstig herstellen. Sie werden unter anderem in der Automobiltechnik eingesetzt, wobei hier die Umgebungsbedingungen, insbesondere die Umgebungstemperatur des Gassensors und die Temperatur des durch die Absorptionskammer strömenden Messgases schnell und stark schwanken. Die eingesetzten Detektoren weisen eine Temperaturdrift auf, die das Messergebnis beeinflusst bzw. verfälscht. Pyroelektrische Detektoren konnten wegen ihrer starken Temperaturdrift bisher bei Anwendungen mit stark schwankender Temperatur der Umgebung oder des Messgases nicht kostengünstig eingesetzt werden.
Spektroskopische Gassensoren gemäß der Gattung des Hauptanspruchs sind ebenfalls aus den Schriften US 6 469 303 B1 , US 2007 / 0 102 639 A1 und WO 2005 / 015 176 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße spektroskopische Gassensor hat dagegen den Vorteil, dass der Detektor ein pyroelektrischer Detektor mit einer internen Temperaturkompensationseinrichtung ist. Durch Integration der Temperaturkompensationseinrichtung in den Detektor kann die Umgebungstemperatur nahe der Absorptionsoberfläche, auf die der Messstrahl auftrifft, erfasst und kompensiert werden. Ein erstes Detektorelement ist in dem Messstrahl angeordnet und erzeugt ein Messsignal, woraus die interne Temperaturkompensationseinrichtung ein temperaturkompensiertes Ergebnissignal zu erzeugt.
Der Detektor des spektroskopischen Gassensors weist dabei eine Detektorkammer mit dem ersten Detektorelement und einem zweiten Detektorelement auf, wobei das erste und zweite Detektorelement im wesentlichen gleichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, jedoch das zweite Detektorelement nicht in dem Messstrahl angeordnet ist und ein Referenzsignal erzeugt. Die Temperaturkompensationseinrichtung weist eine Auswerteelektronik auf, die im Betrieb einen Einfluss der Umgebungsbedingungen auf das Messsignal mittels des Referenzsignals kompensiert. Durch Integration der Auswerteelektronik in den Detektor kann der Detektor ein der gemessenen Gaskonzentration entsprechendes temperaturkompensiertes Ergebnissignal abgeben. Die Temperaturkompensationseinrichtung erfolgt vorzugsweise mit einem baugleichen zweiten Detektorelement, welches das gleiche Temperaturverhalten wie das erste Detektorelement hat.
Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass der optische Filter zwischen der Absorptionskammer und sowohl dem ersten als auch dem zweiten Detektorelement angeordnet ist. Dadurch kann auch der Einfluss thermischer Strahlung durch heißes Messgas, welche das optische Filter passiert, kompensiert werden.
Vorzugsweise weist der Detektor einen integrierten Verstärker auf. Eine Verstärkungsstufe in dem Detektor verbessert das Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
Die Infrarotquelle weist vorteilhaft einen breitbandigen Infrarotstrahler, einen MEMS (Mikroelektro-mechanisches System) Strahler, eine LED oder einen Laser auf. Die Infrarotstrahler arbeiten im Wellenlängenbereich 2 µm bis 14 µm, insbesondere im Bereich 3 µm bis 10 µm.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert, in der

1 eine schematische Darstellung eines spektroskopischen Gassensors zeigt,
2 schematisch Signalverläufe eines Signals eines pyroelektrischen Detektorelements zeigt, und
3 eine schematische Darstellung eines spektroskopischen Gassensors gemäß der Erfindung zeigt.

Die 1 zeigt einen spektroskopischen Gassensor 1 mit einer Infrarotquelle 2, einer Absorptionskammer 3, einem optischen Filter 4 und einem Detektor 5. Im Betrieb erzeugt die Infrarotquelle 2 einen Messstrahl 6 durch die Absorptionskammer 3 und das optische Filter 4 zu dem Detektor 5. In der Absorptionskammer wird der Messstrahl an Spiegeln 7 reflektiert.
Im Detektor 5 ist ein pyroelektrischer Detektor mit einem in dem Messstrahl 6 angeordneten Detektorelement 9. Das Detektorelement 9 ist über eine Messsignalleitung 10 mit einer Temperaturkompensationseinrichtung 11 verbunden. Die Temperaturkompensationseinrichtung 11 ist über einen Verstärker 12 und eine Ergebnissignalleitung 13 mit einem Ausgang 17 verbunden. Die Infrarotquelle 2 ist MEMS-Quelle. Das optische Filter 4 ist in einem Printed Circuit Board (PCB) 8 integriert und bildet einen Abschnitt einer Detektorwand 16. Die Absorptionskammer 3 weist weiterhin einen Gaseinlass 14 und einen Gasauslass 15 auf. Durch Auswahl des optischen Filters lässt sich ein Gas wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid oder Alkohol in einem Gasgemisch nachweisen.
Im Betrieb wird die Infrarotquelle 2 gepulst betrieben. Der Messstrahl 6 wird auf dem Detektorelement 9 absorbiert. Das Detektorelement 9 erzeugt ein Messsignal und liefert dieses über die Messsignalleitung 10 an die Temperaturkompensationseinrichtung 11. Die Temperaturkompensationseinrichtung 11 kompensiert Temperatureffekte aus dem Messsignal und gibt ein von einem Verstärker12 verstärktes temperaturkompensiertes Ergebnissignal über die Ergebnissignalleitung 13 auf den Ausgang 17.
2 stellt Signalverläufe über der Zeitachse dar, die den Einfluss der Temperaturkompensation erläutern. Die genannten Spannungsangaben beziehen sich auf die in 1 gezeigte Anordnung und sind beispielhaft für das dort verwendete Detektorelement 9.
Signalverlauf 45 zeigt die Ausgangsspannung eines Detektorelements ohne Messstrahl, also mit ausgeschalteter Infrarotquelle, und ohne Temperaturkompensation. Die Ausgangsspannung bei ausgeschaltetem Messstrahl wird als Offsetspannung bezeichnet und repräsentiert die Temperaturdrift des Detektorelements. Die Offsetspannung 46 schwankt in einem Bereich zwischen der 0 V Linie 47 und der 1 V Linie 48, bei Temperaturschwankungen Delta_T von etwa 1°C.
Signalverlauf 49 zeigt die. Ausgangsspannung eines Detektorelements ohne Messstrahl, also mit ausgeschalteter Infrarotquelle, jedoch mit Temperaturkompensation. Die Offsetspannung 50 liegt zwischen der 0 V Linie 51 und der 1 V Linie 52 konstant bei etwa 0,4 V.
Signalverläufe 53, 54 und 55 zeigen die Ausgangsspannung eines pyroelektrischen Detektorelements gegenüber den 0 V entsprechenden Nulllinien 56, 57 und 58 mit eingeschaltetem Messstrahl, mit periodisch eingeschalteter Infrarotquelle. Die Infrarotquelle ist mit 15 Hz gepulst in den Phasen 60 eingeschaltet und in den Phasen 61 ausgeschaltet. Signalverlauf 53 zeigt die Ausgangsspannung des Detektorelements mit interner Temperaturkompensation. Signalverlauf 54 zeigt die Ausgangsspannung des Detektorelements ohne Temperaturkompensation bei steigender Offsetspannung aufgrund der äußeren Temperatureinflüsse. Signalverlauf 55 zeigt die Ausgangsspannung des Detektorelements ohne Temperaturkompensation bei sinkender Offsetspannung aufgrund der äußeren Temperatureinflüsse. Mit der Temperaturkompensation wird die in Signalverlauf 53 gezeigte optimale Signalform auch bei äußeren Temperatureinflüssen erhalten.
Das Detektorelement 9 hat eine Empfindlichkeit über 300 000 V / W. Die Messung der Gaskonzentration ist eine Absorptionsmessung. Daher entspricht der gesuchten Gaskonzentration eine Abschwächung des Detektorsignals im µ V bis mV Bereich. Diese Genauigkeit lässt sich mit der erfindungsgemäßen internen Temperaturkompensation und dem Signalverlauf 53 erreichen.
Die 3 zeigt einen erfindungsgemäßen spektroskopischen Gassensor 31, wobei gleichartige Elemente zu 1 mit gestrichenen Bezugsziffern bezeichnet sind. Der Gassensor 31. hat eine Infrarotquelle 2', eine Absorptionskammer 3', ein optisches Filter 32 und einen Detektor 33. Im Betrieb erzeugt die Infrarotquelle 2' einen Messstrahl 6' durch die Absorptionskammer 3' und das optische Filter 32 zu dem Detektor 33. In der Absorptionskammer 3' wird der Messstrahl an Spiegeln 7' reflektiert.
Im Detektor 33 sind in einer Detektorkammer 34 ein erstes Detektorelement 35 und ein zweites Detektorelement 36 angeordnet. Die Temperaturkompensationseinrichtung 37 weist eine Auswerteelektronik 38 auf. Das erste und zweite Detektorelement 35, 36 sind baugleiche pyroelektrische Detektorelemente und im Betrieb im Wesentlichen gleichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Das erste Detektorelement 35 ist in dem Messstrahl 6' angeordnet und erzeugt ein Messsignal. Das zweite Detektorelement 36 ist nicht in dem Messstrahl 6' angeordnet und erzeugt ein Referenzsignal. Im Betrieb kompensiert die Auswerteelektronik 38 einen Einfluss der Umgebungsbedingungen auf das Messsignal mittels des Referenzsignals. Das optische Filter 32 ist sowohl zwischen der Absorptionskammer 3' und dem ersten Detektorelement 35 als auch zwischen der Absorptionskammer 3' und dem zweiten Detektorelement 36 angeordnet. Es ist in einem PCB 8' integriert und bildet eine Detektorwand 39. Das erste Detektorelement 35 ist über eine Messsignalleitung 40 mit der Auswerteelektronik 38 verbunden und das zweite Detektorelement 36 ist über eine Referenzsignalleitung 44 mit der Auswerteelektronik 38 verbunden. Die Auswerteelektronik 38 ist über einen in die Temperaturkompensationseinrichtung 37 integrierten Verstärker 43 und eine Ergebnissignalleitung 41 mit einem Ausgang 42 verbunden. Die Infrarotquelle 2' ist MEMS-Quelle. Die Absorptionskammer 3' weist weiterhin einen Gaseinlass 14' und einen Gasauslass 15' auf.
Im Betrieb wird die Infrarotquelle 2' gepulst betrieben. Der Messstrahl 6 wird auf dem ersten Detektorelement 35 absorbiert. Das Detektorelement 35 erzeugt ein Messsignal und liefert dieses über die Messsignalleitung 40 an die Auswerteelektronik 38. Die Auswerteelektronik 38 kompensiert Temperatureffekte aus dem Messsignal mit Hilfe des Referenzsignals und gibt über den Verstärker 43 und die Ergebnissignalleitung 41 ein verstärktes temperaturkompensiertes Ergebnissignal auf den Ausgang 42.

Claims

Spektroskopischer Gassensor (1, 31) mit einer Infrarotquelle (2, 2'), einer Absorptionskammer (3, 3'), einem optischen Filter (32) und einem Detektor (5, 33) mit einem ersten Detektorelement (9, 35), zur Ausbildung eines Messstrahls (6, 6') von der Infrarotquelle (2, 2') durch die Absorptionskammer (3, 3') und das optische Filter (32) zu dem Detektor (5, 33), wobei das erste Detektorelement (9, 35) in dem Messstrahl (6, 6') angeordnet ist und ein Messsignal erzeugt, wobei der Detektor (5, 33) ein pyroelektrischer Detektor mit einer internen Temperaturkompensationseinrichtung (11, 37) ist, welche ausgebildet ist, aus dem Messsignal ein temperaturkompensiertes Ergebnissignal zu erzeugen, wobei der Detektor (33) eine Detektorkammer (34) mit dem ersten Detektorelement (35) und einem zweiten Detektorelement (36) aufweist, wobei das erste und zweite Detektorelement (35, 36) im Wesentlichen gleichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, wobei das zweite Detektorelement (36) nicht in dem Messstrahl (6') angeordnet ist und ein Referenzsignal erzeugt, und die Temperaturkompensationseinrichtung (37) eine Auswerteelektronik (38) aufweist, wobei die Auswerteelektronik (38) ausgebildet ist, einen Einfluss der Umgebungsbedingungen auf das erste Messsignal mittels des Referenzsignals zu kompensieren, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filter (32) sowohl zwischen der Absorptionskammer (3, 3') und dem ersten als auch zwischen der Absorptionskammer und dem zweiten Detektorelement (35, 36) angeordnet ist.
Spektroskopischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filter (32) eine Detektorwand (8, 39) bildet.
Spektroskopischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (5, 33) einen integrierten Verstärker (12, 43) aufweist.
Spektroskopischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotquelle (2, 2') einen breitbandigen Infrarotstrahler, einen MEMS Strahler, eine LED oder einen Laser aufweist.