DE102009027136A1

DE102009027136A1 - Spektroskopischer Sensor

Info

Publication number: DE102009027136A1
Application number: DE200910027136
Authority: DE
Inventors: Udo Kaess; Paul Koop
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2010-12-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen spektroskopischen Sensor, der mindestens aufweist: eine IR-Spannungsquelle (2) zum Aussenden von IR-Strahlung (3), eine Absorptionsstecke (4) zur Aufnahme eines Gases oder einer Flüssigkeit, mindestens ein optisches Filter (5) zur wellenlängenselektiven Transmission der durch die Absorptionsstrecken (4) gelangten IR-Strahlung (3a) und mindestens einen Detektor (6) zur Aufnahme der durch das optische Filter (5) gelangenden IR-Strahlung (3b) und Ausgabe eines Messsignals (S1). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die IR-Strahlungsquelle (2) und der Detektor (6) an einem Schaltungsträger (8), z. B. einer Leiterplatte, befestigt und kontaktiert sind, die Absorptionsstrecke (4) als Innenraum einer z. B. zylindrischen Reflektoreinrichtung (9) ausgebildet ist, die an dem Schaltungsträger (8) befestigt ist und eine reflektierende Innenfläche (9a; 10a, 15a) aufweist, und eine direkte Strahlungsübertragung von der IR-Strahlungsquelle (2) zu dem Detektor (6) ohne Reflexion an der Reflektoreinrichtung (9) verhindert ist, z. B. durch eine Blende (14).

Description

Stand der Technik
Spektroskopische Sensoren dienen insbesondere als Gassensoren zur Ermittlung von Konzentrationen unterschiedlicher Gasbestandteile. Sie weisen im Allgemeinen eine Strahlungsquelle, insbesondere IR-Strahlungsquelle, eine Absorptionsstrecke zur Aufnahme des zu untersuchenden Mediums, insbesondere eines Gasgemisches, und einen Detektor zur Detektion der durch die Absorptionsstrecke hindurch tretenden IR-Strahlung auf. Zur Auswahl relevanter Wellenlängenbereiche, die für die Absorptionsbande der nachzuweisenden Substanz relevant sind, wird im Allgemeinen ein optisches Filter vor den Detektor gesetzt oder auch als Teil des Detektors ausgebildet, wobei das optische Filter einfallende Strahlung nur in einem relevanten Wellenlängenbereich durch lässt. Derartige Gassensoren weisen im Allgemeinen zwei Detektorkanäle auf, um zusätzlich zu der IR-Strahlung im relevanten Wellenlängenbereich eine Referenzmessung einer weiteren Wellenlänge oder in einem größeren Wellenlängenbereich durchzuführen.
Zur Erzielung eines hohen Messsignals sind lange Absorptionspfade vorteilhaft. Hierzu ist es bekannt, Reflektoren einzusetzen, die eine Reduzierung des Bauraums bei einem dennoch langen Absorptionspfad ermöglichen. Zusätzlich zu den Reflektoren sind im Allgemeinen Abschirmungen der IR-Strahlungsquelle, des Messraums und des Detektors gegenüber dem Außenraum erforderlich.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Absorptionsstrecke bzw. der Messraum durch eine Reflektoreinrichtung festgelegt und nach außen begrenzt, wobei die Reflektorein richtung auf einem Schaltungsträger aufgesetzt ist, der auch die Strahlungsquelle und den mindestens einen Detektor aufnimmt und kontaktiert. Eine direkte Strahlungsübertragung zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor wird verhindert, z. B. durch eine entsprechende Ausrichtung dieser beiden Komponenten und/oder durch eine zusätzliche Blende.
Die Strahlungsquelle und der Detektor können hierbei direkt von der Reflektoreinrichtung umgeben bzw. in diese aufgenommen sein, so dass sie nach außen vollständig abgeschirmt sind. Weiterhin ist z. B. auch eine Anordnung der IR-Strahlungsquelle und des Detektors außerhalb, z. B. unterhalb der Reflektoreinrichtung möglich, wobei eine Strahlungsübertragung durch geeignete transparente Fenster in die Reflektoreinrichtung erfolgt.
Die Reflektoreinrichtung kann insbesondere als Zylinder mit reflektierender zylindrischer Innenfläche und einem an seiner Innenseite reflektierenden Deckel ausgebildet sein, der hierbei auch den Einlass und Auslass für das zu untersuchende Medium, insbesondere ein Gas, aber auch eine Flüssigkeit, aufweisen kann. Somit können bei einer zylinderförmigen Reflektoreinrichtung mit z. B. etwa gleicher Länge oder auch größerer Länge als die laterale Quererstreckung der Leiterplatte sehr große optische Weglängen bzw. Absorptionsweglängen erreicht werden, z. B. deutlich größer als 20 cm bei Einsatz einer herkömmlichen Leiterplatte als Schaltungsträger.
Hierbei werden die Strahlungsquelle und der Detektor vorteilhafterweise in einer gemeinsamen Ebene eingesetzt, die z. B. parallel zur Oberseite des Schaltungsträgers verläuft. Eine Strahlungsübertragung in dieser Ebene kann verhindert werden, so dass nur Licht von dem Detektor aufgenommen wird, dass von dem Strahler nach oben in den Innenraum der Reflektoreinrichtung ausgesandt und dort von durch Mehrfachreflektion zu dem Detektor zurückgeworfen worden ist. Insbesondere bei Einsatz eines Zylinders ergibt sich durch Mehrfachreflektion eine sehr hohe optische Absorptionsweglänge. Hierbei kann der Zylinder relativ einfach und kostengünstig, z. B. als Metallzylinder mit entsprechend metallischem Deckel ausgebildet werden, und direkt auf der Leiterplatte befestigt werden. Die Strahlungsquelle und der Detektor können durch die Leiterplatte ragen, z. B. von unten eingesetzt und von unten kontaktiert werden. Die Auswerteeinrichtung kann als zusätzliches Bauelement auf dem Schaltungsträger aufgenommen werden.
Erfindungsgemäß ergeben sich einige Vorteile. Es sind sehr große Absorptionsweglängen und hierdurch ein großes Messsignal bei einem dennoch recht kompakten Aufbau möglich. Der Aufbau durch den Schaltungsträger und die Reflektoreinrichtung, insbesondere auch bei einem auf den Schaltungsträger gesetzten zylindrischen Reflektor, ist kostengünstig und sehr kompakt; es können weitere, komplexere Reflektoreinrichtungen wie zusätzlich eingesetzt Spiegel usw., die eine aufwendige Justierung erfordern, entfallen, so dass eine einfache, schnelle und kostengünstige Herstellung ermöglicht ist. Indem die Reflektoreinrichtung zusammen mit dem Schaltungsträger den Messraum vollständig umgibt und nach außen abschirmt sind weitere Abschirmungen und Abdichtungen nicht erforderlich, so dass störende Einflüsse sehr gut vermieden werden können und ein qualitativ gutes Messsignal erreicht werden kann.
Der erfindungsgemäße spektroskopische Sensor kann insbesondere als Gassensor verwendet werden, wobei er z. B. zur Detektion von niedrigen Konstellationen von Feinstaub, weiterhin von Kohlenoxiden, d. h. Kohlendioxid und/Kohlenmonoxid, weiterhin auch für Stickoxide und gegebenenfalls Alkohol eingesetzt werden kann. Somit kann z. B. auch Alkohol in der Atemluft detektiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt das Grundprinzip des spektroskopischen Gassensors;
2 zeigt den Aufbau des erfindungsgemäßen spektroskopischen Gassensors gemäß einer Ausführungsform
Beschreibung der Ausführungsform
Gemäß 1 weist ein Sensor 1, z. B. ein Gassensor, im Allgemeinen eine IR-Strahlungsquelle 2 zur Aussenden von IR-Strahlung 3 auf. Hierbei kann die Strahlungsquelle 2 insbesondere eine im Niederstrom betriebene Glühlampe sein, die somit die IR-Strahlung breitbandig aussendet. Die IR-Strahlung 3 gelangt nachfolgend durch eine Absorptionsstrecke 4, in der ein Teil der einfallenden IR-Strahlung 3 je nach Zusammensetzung des in der Absorptionsstrecke 4 aufgenommenen Gases absorbiert wird. Der durchgelassene Anteil wird als IR-Strahlung 3a nachfolgend durch mindestens ein optisches Filter 5 geführt, das IR-Strahlung wellenlängenselektiv durchlässt. Die durchgelassene IR-Strahlung 3b gelangt nachfolgend auf einen Detektor 6, der z. B. als Thermopile-Detektor, pyroelektrischer Detektor oder auch bolometrischer Detektor ausgebildet sein kann, und eine Messspannung als Messsignal S1 ausgibt.
Hierbei können insbesondere mehrere Detektoren 6, z. B. zwei Detektoren 6 mit jeweils einem eigenen optischen Filter 5 vorgesehen sein, z. B. ein Detektor 6 mit einem optischen Filter 5, das einen Wellenlängenbereich einer Absorptionsbande eines zu detektierenden Gases, z. B. Ethanol, CO2 oder NOx, durchlässt, und ein weiterer Detektor 6 mit einem breitbandigen optischen Filter als Referenzkanal, um durch die Referenzmessung eine Konzentrationsangabe der nachzuweisenden Substanz zu ermöglichen. Die beiden Detektoren 6 können z. B. in einem Halbleiterbauelement, d. h. einem einzigen Detektorchip, integriert sein.
Das Messsignal S1 oder die mehreren Messsignale werden nachfolgend in einer Auswerteeinrichtung 7 ausgewertet, die auch ein Steuersignal an die Strahlungsquelle 2 ausgeben kann.
Erfindungsgemäß sind gemäß 2 die IR-Strahlungsquelle 2 und der mindestens eine Detektor 6 an einem Schaltungsträger 8 aufgenommen, der insbesondere eine Leiterplatte sein kann. Die Strahlungsquelle 2 und der Detektor 6 können z. B. von unten oder oben durch entsprechende Öffnungen der Leiterplatte 8 gesetzt und von unten kontaktiert sein. Die Absorptionsstrecke 4 ist als Innenraum einer Reflektoreinrichtung 9 ausgebildet. Die Reflektoreinrichtung 9 kann insbesondere gemäß 2 als Zylinder ausgebildet sein, der an seiner Unterseite auf der Leiterplatte 8 befestigt ist, wobei seine zylindrische Wand 15 senkrecht auf der Leiterplatte 8 steht und an ihrem oberen Ende ein Deckel 10 aufgesetzt ist, in dem ein Einlass 11 und ein Auslass 12 für das zu untersuchende Medium, d. h. Gas oder Flüssigkeit vorgesehen ist.
Somit ist die Innenseite 9a der Reflektoreinrichtung 9, d. h. die Innenseite 10a des Deckels 10 und die Innenseite 15a der Wand 15, reflektierend. Die Strahlungsquelle 2 und der Detektor 6 sind in einer Ebene parallel zur Leiterplatte 2 angeordnet. Das optische Filter 5 kann insbesondere direkt auf dem Detektor 5 ange bracht sein. Eine Blende 14 kann zwischen dem Strahler 2 und dem Detektor 6 vorgesehen sein, um eine direkte Strahlungsübertragung ohne Reflektion an der Reflektoreinrichtung 9 zu verhindern.
Erfindungsgemäß ergibt sich ein sehr langer Absorptionspfad, da Mehrfachreflektionen an der Innenseite 9a der Reflektoreinrichtung 9 auftreten. Gemäß 2 kann der Reflektor oberhalb der Ebene angeordnet sein, in der die IR-Strahlungsquelle 2 und der Detektor 6 liegen, wobei an der Unterseite 18 der Reflektoreinrichtung 9 ein optisches Einlassfenster 16 und ein optisches Auslassfenster 17 ausgebildet sind, unterhalb von denen und/oder direkt angrenzend die IR-Strahlungsquelle 2 und der Detektor 6 mit Filter 5 angebracht sind. Somit ist sämtliche IR-Strahlung 3b, die auf das Filter 5 auftrifft, vorher durch die gesamte axiale Länge L der Reflektoreinrichtung 9 gelangt.
Wie in 2 gezeigt kann sich der Durchmesser der Reflektoreinrichtung 9 über einen Großteil der Leiterplatte 8 erstrecken, so dass sich ein großvolumiger Innenraum als Absorptionsstrecke 4 ergibt. Die Länge L kann größer als der Durchmesser sein.
Die Auswerteeinrichtung 7 ist vorteilhafterweise direkt auf der Leiterplatte 8 montiert. Die Auswerteeinrichtung 7 kann z. B. ein ASIC sein; weiterhin kann auch der zur Steuerung der Strahlungsquelle 2 verwendete Mikroprozessor ergänzend als Auswerteeinrichtung 7 dienen.
Die zylindrische Reflektoreinrichtung 9 wirkt ergänzend auch als Blende bzw. Schutz nach außen, um störende Strahlung fern zu halten.

Claims

Spektroskopischer Sensor, der mindestens aufweist: eine IR-Strahlungsquelle (2) zum Aussenden von IR-Strahlung (3), eine Absorptionsstrecke (4) zur Aufnahme eines Gases oder einer Flüssigkeit, mindestens ein optisches Filter (5) zur wellenlängenselektiven Transmission der durch die Absorptionsstrecke (4) gelangten IR-Strahlung (3a) und mindestens ein Detektor (6) zur Aufnahme der durch das optische Filter (5) gelangenden IR-Strahlung (3b) und Ausgabe eines Messsignals (S1), dadurch gekennzeichnet, dass die IR-Strahlungsquelle (2) und der Detektor (6) an einem Schaltungsträger (8) befestigt und kontaktiert sind, die Absorptionsstrecke (4) als Innenraum einer Reflektoreinrichtung (9) ausgebildet ist, die an dem Schaltungsträger (8) befestigt ist und eine reflektierende Innenfläche (9a; 10a, 15a) aufweist, und eine direkte Strahlungsübertragung von der IR-Strahlungsquelle (2) zu dem Detektor (6) ohne Reflektion an der Reflektoreinrichtung (9) verhindert ist.
Spektroskopischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinrichtung (9) eine vertikal auf dem Schaltungsträger (8) aufgenommene Wand (15) mit einer reflektierenden Innenseite (15a) aufweist.
Spektroskopischer Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoreinrichtung (9) eine zylindrische Form aufweist, wobei die Reflektoreinrichtung (9) eine zylindrische Wand (15) und einen aufgesetzten Deckel (10) mit einer reflektierenden Innenseite (10a) aufweist.
Spektroskopischer Gassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Deckel (10) ein Einlass (11) und ein Auslass (12) für zu untersuchende Gase und/oder Flüssigkeiten ausgebildet ist.
Spektroskopischer Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (2) und der Detektor (6) ganz oder teilweise auf einer Oberseite des Schaltungsträger (8) angebracht sind, und die Reflektoreinrichtung (9) oberhalb der durch die Strahlungsquelle (2) und den Detektor (6) gebildeten Ebene angeordnet ist und auf ihrer Unterseite (18) ein Eintrittsfenster (16) und ein Austrittsfenster (17) für die IR-Strahlung (3, 3a) aufweist.
Spektroskopischer Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin eine Auswerteeinrichtung (7) aufweist, die auf dem Schaltungsträger (8) aufgenommen ist und mindestens ein Messsignal (S1) des Detektors (6) aufnimmt.
Spektroskopischer Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine direkte Strahlungsübertragung von der Strahlungsquelle (2) zu dem Detektor (6) verhindert ist, z. B. durch eine auf dem Schaltungsträger (8) aufgenommene Blende (14).
Spektroskopischer Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge der Reflektoreinrichtung (9) gleich oder größer als eine laterale Breite des Schaltungsträgers (8) ist.
Spektroskopischer Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (2) und der Detektor (6) von der Unterseite des Schaltungsträgers (8) her kontaktiert sind und durch den Schaltungsträger (8) bis zu dessen Oberseite ragen und die Reflektoreinrichtung (9) auf die Oberseite des Schaltungsträgers (8) gesetzt ist.
Spektroskopischer Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filter (5) IR-Strahlung in einem Wellenlängenbereich der Absorptionsbande von Ethanol, Kohlendioxid oder einem Stickoxid durchlässt.