DE102010003966B3

DE102010003966B3 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102010003966B3
Application number: DE102010003966A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Kiesewetter
Original assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Current assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Priority date: 2010-01-02
Filing date: 2010-01-02
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2030-01-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (1) zur Erfassung von Kenngrößen einer Umgebung, umfassend zumindest einen Gassensor (2, 3), zumindest einen Umgebungstemperatursensor (4) und zumindest einen Feuchtigkeitssensor (5), welche in einem gemeinsamen Gehäuse (6) angeordnet und mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit (7) verbunden sind. Erfindungsgemäß weist ein optischer Gassensor (2) eine Infrarotstrahlung emittierende Strahlungsquelle (8), eine Messzelle (9) und zumindest eine Detektoreinrichtung (10) auf, wobei die Messzelle (9) mit einem zu analysierenden Gasgemisch aus der Umgebung der Sensoranordnung (1) befüllbar und von der Infrarotstrahlung durchstrahlbar ist und wobei die Strahlungsquelle (8) ein auf einem keramischen Träger angeordneter Heiz- und Messwiderstand eines chemischen Gassensors (3) ist, welcher als gassensitiver Halbleitersensor ausgebildet ist und auf dem keramischen Träger zumindest eine gassensitive Halbleiter-Metalloxidschicht (11) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind, wie in der DE 10 2006 023 182 A1 beschrieben, eine Sensoranordnung zur Erfassung von Kennwerten der Umgebung und ein Verfahren zur Generierung entsprechender Ausgangssignale bekannt. Die Sensoranordnung zur Erfassung von Kenngrößen der Umgebung und deren Wirkung auf Lebewesen, insbesondere auf Menschen, umfasst einen oder mehrere Sensoren, der/die eine oder mehrere Kenngrößen jeweils mit einem bestimmten Sensorprofil erfassen und jeweils ein Sensorsignal korrespondierend ausgeben, wobei mindestens ein absolut messender Sensor oder mindestens zwei die gleiche Kenngröße messende korrespondierende Sensoren mit unterschiedlichen Profilen oder eine Kombination daraus zur Generierung von mindestens einem Ausgangssignal, stellvertretend für subjektiv empfundene Kenngrößen, vorhanden ist/sind, und mindestens einer aus folgenden Sensoren einsetzbar ist:

– ein Sensor zur Messung der Temperatur ohne Einfluss von Wärmestrahlung, der ein Sensorsignal liefert,
– ein Sensor zur Messung der Temperatur mit Einfluss von Wärmestrahlung, der ein Sensorsignal liefert,
– ein Sensor zur Messung der absoluten Feuchtigkeit der Luft, der ein Sensorsignal liefert,
– ein Sensor zur Messung des Kohlendioxidgehalts der Luft, der ein Sensorsignal liefert,
– mindestens ein Sensor zur Messung mindestens einer Geruchsbelastung, der ein Sensorsignal liefert,
– ein Sensor zur Messung der Strömung von Luft, der ein Sensorsignal liefert.

In der DE 10 2005 032 722 B3 werden eine Gassensoranordnung und ein Messverfahren mit Frühwarnung beschrieben. Mittels des Messverfahrens wird die Anwesenheit und/oder die Konzentration eines Analyten mittels einer Gassensoranordnung ermittelt. Die Gassensoranordnung umfasst insbesondere eine strahlungsemittierende Strahlungsquelle, einen Gasmessraum, der mit einem Messgas, das mindestens einen zu messenden Analyten enthält, befüllbar ist, und mindestens eine die Strahlung detektierende Detektoreinrichtung, die ein von der Anwesenheit und/oder der Konzentration des Analyten abhängiges Ausgangssignal erzeugt. Die Strahlungsquelle sendet Strahlung in Form von Pulsen aus und während eines jeden Strahlungspulses werden eine Vielzahl von Einzelwerten zum Erzeugen eines gemittelten Messwerts aufgenommen, wobei während des ersten Strahlungspulses der erste der Vielzahl von Einzelwerten mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird und bei Überschreiten des Schwellenwerts ein Alarmsignal erzeugt wird.
In der DE 197 50 133 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Überwachung der Innenluftqualität in Kraftfahrzeugen beschrieben. Die Messung der Kohlendioxidkonzentration im Innenraum von Kraftfahrzeugen kann mithilfe eines CO₂-Meßgerätes vorgenommen werden. Das Prinzip der Messung ist die infrarote Gasabsorption. Die Küvetten werden zusammen mit dem Strahler, dem Detektor und den zur Messwertverstärkung benötigten elektronischen Schaltungen in möglichst kompakten Gehäusen untergebracht, um den Einbau in die Lüftungsanlage zu ermöglichen. Die zu messende Luft gelangt durch Diffusion in die Küvetten. Der Anschluss an die Steuerung der Lüftungs- oder Klimaanlage zwecks Einschaltung eines Adsorptionsfilters und Umwälzung der Innenluft für die Zurückhaltung der CO₂-Moleküle bei erhöhten Konzentrationen ist möglich. Weitere Anwendungen ergeben sich aus der Messung verschiedener Gassorten.
In der DE 44 27 356 A1 wird eine Einrichtung zur Regelung der Luftqualität in einem Raum beschrieben. Eine Einrichtung zur benutzungsgeführten Regelung der Luftqualität in einem Raum weist einen im Raum platzierten Sensor zur Erzeugung von zwei Signalen auf. Der Sensor enthält ein optisches Element, ein optisches Filter, einen Strahlungsdetektor und eine elektronische Schaltung. Das optische Element unterteilt den Raum in wenigstens eine Erfassungszone und bildet diese auf den Strahlungsdetektor ab. Das optische Filter ist für mindestens eine Spektrallinie eines vorbestimmten Gases durchlässig. Aus der am Ausgang des Strahlungsdetektors zur Verfügung stehenden Signalspannung leitet die elektronische Schaltung das erste und das zweite Signal ab, wobei das erste Signal Informationen über die Konzentration eines vorbestimmten Gases und das zweite Signal Informationen über die Anwesenheit von Personen enthält. Ein Regler bildet aus den beiden Signalen ein einziges Regelsignal zur Ansteuerung eines Elementes einer Lüftungs- oder Klimaanlage.
In der DE 20 2005 016 341 U1 wird ein Anzeigegerät nach Art einer Verkehrsampel beschrieben. Das Anzeigegerät umfasst wenigstens zwei unterschiedlich farbige Anzeigeleuchten, wobei ein Schallpegelsensor zur Steuerung der Anzeigeleuchten vorgesehen ist und wobei die Anzeigeleuchten unterschiedlichen Schallpegelbereichen zugeordnet sind. Das Anzeigegerät weist einen Luftgütesensor zur Bestimmung der Luftgüte anhand des Ist-Anteils wenigstens einer ausgewählten Komponente außer Sauerstoff oder des Ist-Sauerstoffanteils in der Luft und Steuerung einer Signalabgabeeinrichtung auf, die bei Überschreitung eines vorgebbaren Maximal-Anteils der Komponente oder bei Unterschreitung eines vorgebbaren Mindest-Sauerstoffanteils wenigstens ein Warnsignal abgibt.
In der DE 20 2005 006 672 U1 wird eine Luftgüteampel beschrieben. An einer Anzeigeeinrichtung für einen an eine Sensorvorrichtung angeschlossenen Messwertgeber, insbesondere für einen Sensor zur Überwachung der Raumluft, ist einem Wertebereich des zu messenden Messwertes ein erstes Leuchtmittel zugeordnet und einem anderen Wertebereich ist ein zweites Leuchtmittel zugeordnet, wobei die Wertebereiche jeweils unterschiedlichen Graden der für Personen geltenden Bedenklichkeit des Messwertes entsprechen. Jedem der beiden Leuchtmittel ist eine dem Betrachter verständliche Symbolik zugeordnet, die den Grad der Bedenklichkeit, insbesondere die Belastung der Raumluft mit dem zu messenden Gas, allgemein verständlich ausdrückt.
In der DE 20 2005 010 475 U1 wird eine Vorrichtung zur Detektion von Gasen mittels Lichttrichter und Spiegeloptik beschrieben. Eine Sensoreinheit zum Detektieren eines Gases, insbesondere zur Erfassung von Erdgas, Kohlenwasserstoffen, Kohlendioxid oder dgl. in der Umgebungsluft umfasst mindestens eine auf eine Absorptionswellenlänge des zu detektierenden Gases abgestimmte optische Messstrecke und mindestens einer Spiegeloptik zur Übertragung der Strahlung von der Lichtquelle zum Strahlungsdetektor. Vor dem Strahlungsdetektor ist mindestens ein Lichttrichter angeordnet.
In der DE 10 2007 037 110 A1 wird eine Saunakabine mit Brandmelder beschrieben. Eine Saunakabine umfasst einen Saunaofen, eine Steuerung und einen in der Saunakabine angeordneten Brandmelder. Der Brandmelder weist einen Brandgassensor auf, wobei der Brandmelder bei Überschreiten einer vorbestimmten Gas-Grenzkonzentration einen Brandalarm ausgibt.
In der DE 10 2007 006 153 A1 wird eine optische Gassensoranordnung in monolithisch integrierter Bauweise beschrieben. Eine optische Gassensoranordnung zum Nachweis mindestens eines Analyten in einem Messgas umfasst mindestens eine Strahlungsquelle zum Emittieren von Strahlung, mindestens eine die Strahlung führende Reaktionsstrecke, die so ausgebildet wird, dass die Intensität der emittierten Strahlung durch Wechselwirkung mit dem Messgas in Abhängigkeit von dem Vorhandensein des Analyten veränderbar ist und mindestens eine Detektoreinrichtung, welche in einem Endbereich der Reaktionsstrecke eine geänderte Strahlungsintensität erfasst und ein von der Anwesenheit und/oder Konzentration des Analyten in der Reaktionsstrecke abhängiges Ausgangssignal erzeugt. Die Strahlungsquelle, die Reaktionsstrecke und die Detektoreinheit sind mittels mikromechanischer Verfahren in monolithisch integrierter Bauweise hergestellt.
In der DE 10 2006 005 310 B3 wird eine Strahlungsquelle für eine Sensoranordnung mit Einschaltstrombegrenzung beschrieben. Die Strahlungsquelle besitzt eine, ein breitbandiges Lichtspektrum emittierende Glühlampe und einen Halbleiterschalter zum Schalten einer Verbindung der Glühlampe mit einer Versorgungsspannung. Zwischen einem Steueranschluss und einem mit der Glühlampe verbundenen ersten Anschluss des Halbleiterschalters ist ein Kondensator angeordnet, wobei der Steueranschluss mit dem Steuersignal über einen ersten Widerstand verbindbar ist und der Steueranschluss weiterhin über einen zweiten Widerstand oder einen Kondensator mit dem Bezugspotential verbunden ist.
In der DE 10 2005 006 312 A1 wird ein Multigas-Sensormodul zur Ansteuerung einer Lüftungseinheit beschrieben. Ein Steuermodul für eine Lüftungseinheit zur Behandlung von Innenraumluft eines Fahrzeugs umfasst Sensoren zur Detektion von chemischen Bestandteilen eines Luftstromes und eine Prozessoreinheit, die ein Steuersignal zur Ansteuerung der Lüftungseinheit generiert. Der zu untersuchende Luftstrom wird aus der Innenraumluft abgegriffen. Mindestens drei Sensoren sind vorgesehen, von denen ein erster Sensor mit höherer Selektivität auf Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff, ein zweiter Sensor auf Stickoxide und ein dritter Sensor auf Kohlenwasserstoffe anspricht. Die Prozessoreinheit enthält einen Algorithmus, der aus den Signalen sämtlicher Sensoren ein Charakteristikum für einen bestimmten Zustand berechnet, das charakteristisch für die aktuelle Zusammensetzung der untersuchten Innenraumluft ist und mit in der Prozessoreinheit abgespeicherten, vorgegebenen Charakteristika für einen bestimmten Zustand für unterschiedliche Szenarien einer möglichen Luftzusammensetzung verglichen wird.
In der DE 197 00 964 C2 wird eine Einrichtung zur Raumklimatisierung beschrieben. Die Einrichtung zur Raumklimatisierung umfasst Fühler, Regler und Dosierer zum Messen, Regeln bzw. Einstellen von Umweltparametern, wobei als Fühler ein mindestens zwei verschiedene Umweltparameter jeweils zugleich erfassender Multisensor vorgesehen ist. Bei Verwendung eines mindestens zwei verschiedene Umweltparameter jeweils zugleich erfassenden Multisensors als Fühler ist der Multisensor an einer Längsseite eines Kanals angeordnet, dessen dem Sensor gegenüberliegende andere Längsseite durch eine Heizplatte zum Erzeugen und/oder Verstärken einer Luftkonvektion durch den Kanal begrenzt ist.
In der DE 10 2004 028 077 A1 werden ein Verfahren zum Messen der Anwesenheit und/oder der Konzentration eines Analyten mittels einer Gassensoranordnung sowie eine entsprechende Gassensoranordnung beschrieben. Die Gassensoranordnung umfasst eine strahlungsemittierende Strahlungsquelle, einen Gasmessraum, der mit einem Messgas, das mindestens einen zu messenden Analyten enthält, befüllbar ist, und mindestens eine die Strahlung detektierende Detektoreinrichtung, die ein von der Anwesenheit und/oder Konzentration des Analyten abhängiges Ausgangssignal erzeugt. Die Strahlungsquelle wird so angesteuert, dass sie während einer Einschwingphase Strahlung mit einer ersten Pulsfolge emittiert, bis die Gassensoranordnung sich im thermischen Gleichgewicht befindet, und während einer Messphase Strahlung mit einer zweiten Pulsfolge zum Durchführen der Messung emittiert, wobei sich die erste und die zweite Pulsfolge in dem Tastverhältnis und/oder der Frequenz unterscheiden.
In der DE 10 2006 061 696 A1 werden ein Mobiltelefon sowie dessen Verwendung beschrieben. Bei einem Mobiltelefon mit integriertem Gassensor ist eine Strahlungsquelle und ein gegenüberliegender Gasdetektor vorgesehen, wobei die Strahlungsquelle und der Gasdetektor entweder über strahlungsdurchlässige Fenster an einen von außen frei zugänglichen Zwischenraum angrenzen oder an einen geschlossenen Zwischenraum, der an die Umgebungsatmosphäre gekoppelt ist.
Ferner ist aus DE 102 45 822 A1 eine Sensoranordnung bekannt, welche einen Infrarot-Gassensor, eine infrarotoptische Gasmesszelle, eine IR-Detektoreinrichtung und einen chemischen Gassensor enthält.
In DE 10 2005 016 008 A1 ist ein Bauelementemodul beschrieben, das vorzugsweise für den Einsatz in Kraftfahrzeug-Klimaanlagen vorgesehen ist. Das Bauelementemodul verfügt über zwei Kavitäten, in die jeweils ein Bauelement eingesetzt werden kann. Als eine Ausführung ist die Kombination einer spektroskopischen Sensorchipanordnung zur Messung einfallender IR-Strahlung mit einem Bauelement, welches einen Feuchtigkeitsmesschip enthält, genannt.
DE 197 20 007 A1 beschreibt einen kombinierten Gassensor, der einen beheizten Gassensor und einen Gassensor nach dem Infrarotprinzip enthält.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Sensoranordnung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Sensoranordnung zur Erfassung von Kenngrößen einer Umgebung umfasst zumindest einen Gassensor, zumindest einen Umgebungstemperatursensor und zumindest einen Feuchtigkeitssensor, welche in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit verbunden sind.
Erfindungsgemäß weist ein optischer Gassensor eine Infrarotstrahlung emittierende Strahlungsquelle, eine Messzelle und zumindest eine Detektoreinrichtung auf, wobei die Messzelle mit einem zu analysierenden Gasgemisch aus der Umgebung der Sensoranordnung befüllbar und von der Infrarotstrahlung durchstrahlbar ist und wobei die Strahlungsquelle ein auf einem keramischen Träger angeordneter Heiz- und Messwiderstand eines chemischen Gassensors ist, welcher als gassensitiver Halbleitersensor ausgebildet ist und auf dem keramischen Träger zumindest eine gassensitive Halbleiter-Metalloxidschicht aufweist.
Das Gasgemisch aus der Umgebung der Sensoranordnung ist beispielsweise Umgebungsluft. Der chemische Gassensor mit seiner zumindest einen gassensitiven Halbleiter-Metalloxidschicht und die Infrarotstrahlung emittierende Strahlungsquelle sind vorzugsweise auf einem gemeinsamen Chip angeordnet und dadurch sehr Bauraum sparend ausgebildet und sehr kostengünstig herstellbar.
Das grundlegende Prinzip gassensitiver Halbleitersensoren beruht auf der Leitfähigkeitsänderung der Halbleiter-Metalloxidschicht bei der Einwirkung von Gasen. Vorteilhafterweise weist der als gassensitiver Halbleitersensor ausgebildete chemische Gassensor eine Mehrzahl von gassensitiven Halbleiter-Metalloxidschichten auf, so dass mittels dieses chemischen Gassensors eine Mehrzahl verschiedener Gase detektierbar und deren Konzentrationen ermittelbar sind. Ein derartiger als gassensitiver Halbleitersensor ausgebildeter chemischer Gassensor ist beispielsweise ein so genanntes Triplesensorelement und weist drei gassensitive Halbleiter-Metalloxidschichten auf, so dass drei verschiedene Gase detektierbar und deren jeweilige Konzentrationen ermittelbar sind.
Die Sensoranordnung bildet einen Multifunktionssensor zur Ermittlung von klimarelevanten und personenrelevanten, d. h. behaglichkeitsrelevanten, Daten, mittels welchen beispielsweise in Räumen oder in Fahrzeugen eine Be- und Endlüftung und/oder Klimatisierung regelbar ist. So sind eine Luftgüte über Leitsubstanzen im Bereich leichtflüchtiger Stoffe (VOC) sowie eine Konzentration von Kohlendioxid und weiteren infrarotstrahlungsabsorbierenden Gasen wie Methan und weitere Kohlenwasserstoffe (C_XH₄), Aerosole, eine Luftfeuchtigkeit und eine Umgebungstemperatur mittels der Sensoranordnung bestimmbar und durch eine entsprechende Regelung beeinflussbar.
Nach dem Stand der Technik sind derartige Kenngrößen nur mit Einzelsensoren messbar, wobei eine Regelung beispielsweise einer Klimaanlage jeweils nur nach entsprechenden Einzelwerten erfolgt. Mittels der Sensoranordnung sind die von den verschiedenen Sensoren ermittelten Werte kombinierbar, so dass eine auf alle ermittelten Kenngrößen abgestimmte und dadurch optimierte Regelung erfolgen kann.
Des Weiteren ist durch die Kombination der Sensoren in der Sensoranordnung und insbesondere durch die Kombination der Strahlungsquelle mit dem chemischen Gassensor, so dass gleichzeitig eine weitere Gasdetektion und -messung ermöglicht ist, eine erhebliche Energieeinsparung gegenüber einer Lösung mit mehreren einzelnen Sensoren erzielbar. Der chemische Gassensor ist besonders vorteilhaft derart ausgebildet, dass dessen zumindest eine gassensitive Halbleiter-Metalloxidschicht und die Infrarotstrahlung emittierende Strahlungsquelle auf einem gemeinsamen Chip angeordnet und dadurch sehr Bauraum sparend ausgeformt und sehr kostengünstig herstellbar sind. Durch die Unterbringung der Sensoranordnung mit mehreren Sensoren in einem Gehäuse ist des Weiteren eine Bauraumreduktion und eine vereinfachte und kostengünstige Installation der Sensoranordnung in einem Raum oder in einem Fahrzeug ermöglicht.
Zudem ist durch die Mehrzahl von Sensoren, welche mit der gemeinsamen Auswerteeinheit verbunden sind, eine Zuverlässigkeit der einzelnen Sensorergebnisse durch eine Berücksichtigung von Querempfindlichkeiten der Sensoren bei verschiedenen Umgebungsbedingungen bewertbar, so dass beispielsweise einzelne Sensorergebnisse korrigierbar oder unter bestimmten Bedingungen vernachlässigbar sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Strahlungsquelle auf einer der Halbleiter-Metalloxidschicht abgewandten Seite des keramischen Trägers eine Infrarotstrahlung emittierende Beschichtung auf, welche in einem Infrarotbereich eines zu detektierenden Gases, beispielsweise Kohlendioxid, eine höhere Infrarotstrahlungsemission aufweist als ein Material des keramischen Trägers. Diese Beschichtung ermöglicht eine Emission einer entsprechenden Infrarotstrahlung schon bei niedrigen Temperaturen. Auf diese Weise ist bei einem geringeren Energieverbrauch eine Infrarotstrahlung mit einer höheren Intensität und/oder mit einer anderen Wellenlänge abstrahlbar.
Vorzugsweise ist der Feuchtigkeitssensor ein kapazitiver Sensor, besonders bevorzugt ein keramischer Interdigitalkondensator. Dies ermöglicht auf einfache Weise eine exakte Bestimmung der Feuchtigkeit und des Weiteren auch einer Temperatur des Gasgemischs in der Messzelle, beispielsweise der Umgebungsluft, durch eine Ermittlung von Kapazitätsveränderungen und/oder Widerstandsveränderungen aufgrund der Feuchtigkeit des Gasgemischs. Des Weiteren ist mittels des Feuchtigkeitssensors auch eine Betauung feststellbar, welche beispielsweise Messfehler der Detektoreinrichtung verursachen könnte. Der Interdigitalkondensator ermöglicht eine einfache Gestaltungsweise und eine einfache Signalauswertung, wobei insbesondere, im Gegensatz zu anderen Möglichkeiten der Feuchtigkeitsbestimmung, mittels des Interdigitalkondensators Fehler aufgrund von Verschmutzungen vermieden sind.
Zu einer Taktung der Bestrahlung der Messzelle ist die Strahlungsquelle zweckmäßigerweise durch eine zeitweise Unterbrechung einer Energiezufuhr pulsierbar oder es ist eine bewegbare Blende zwischen der Strahlungsquelle und der Messzelle angeordnet. Durch diese Taktung der Bestrahlung ist eine Stärke der Strahlungsenergie veränderbar, wodurch in der Detektoreinrichtung selektive Druckschwankungen erzeugbar sind, welche auswertbar sind. Die Druckschwankungen sind umgekehrt proportional zur Konzentration des jeweiligen zu detektierenden Gases im Gasgemisch der Messzelle, wobei auch gleichzeitig Konzentrationen mehrerer zu detektierender Gase bestimmbar sind.
Das Gasgemisch ist vorzugsweise Umgebungsluft, mit welcher die Messzelle befüllt ist. Dieses jeweilige zu detektierende Gas oder die Mehrzahl zu detektierender Gase, auch als Analyt bezeichnet, ist/sind beispielsweise Kohlendioxid, Methan und/oder weitere infrarotstrahlungsabsorbierende Gase, beispielsweise weitere Kohlenwasserstoffe (C_XH₄). Auf diese Weise ist die Konzentration des zu detektierenden Gases, beispielsweise Kohlendioxid, im Gasgemisch ermittelbar. Bei Nutzung der bewegbaren Blende ist diese bzw. deren Antriebsmechanismus beispielsweise auch zu einer Belüftung der Messzelle nutzbar, um einen Austausch des Gasgemisches für eine weitere Messung zu realisieren. Dazu ist die bewegbare Blende beispielsweise als Ventilator ausgebildet.
Bevorzugt ist die Detektoreinrichtung ein photoakustischer Strahlungsdetektor, mittels welchem durch eine Absorption der Strahlungsenergie hervorgerufene Temperatur- und/oder Druckschwankungen auswertbar sind. Eine derartige Absorption tritt für jedes Gas in einem jeweils charakteristischen Wellenlängenbereich auf. Daher absorbiert bereits das im Gasgemisch der Messzelle vorhandene zu detektierende Gas entsprechend dessen Konzentration einen Anteil der von der Strahlungsquelle abgestrahlten Infrarotstrahlung. Eine von der Detektoreinrichtung ermittelte Strahlungsintensität hinter der Messzelle ist daher gemäß dem bekannten Lambert-Beer'schen Gesetz ein Maß für die Konzentration des absorbierenden Gases im Gasgemisch der Messzelle.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Detektoreinrichtung eine Detektorzelle mit einem infrarotstrahlungsdurchlässigen Fenster auf, welche mit zumindest einem zu detektierenden Gas, beispielsweise Kohlendioxid, gefüllt ist und ein Mikrofon aufweist. Mittels des Mikrofons, welches einen Schwingungssensor bildet, sind durch Absorption der Strahlungsenergie hervorgerufene Druckveränderungen in der Detektorzelle ermittelbar. Diese Druckveränderungen oder Druckschwankungen sind nur abhängig von einer zu ermittelnden Konzentration des Gases im Gasgemisch in der Messzelle, da sich die Konzentration des zu detektierenden Gases in der Detektorzelle nicht verändert. Von dem Gas in der Messzelle erfolgt eine Absorption der Strahlungsenergie. Nur die nicht absorbierte Strahlungsenergie erreicht danach die Detektorzelle und ist von dem in dieser befindlichen Gas absorbierbar. D. h. je höher die Konzentration des zu detektierenden Gases im Gasgemisch der Messzelle, desto weniger Strahlungsenergie erreicht das Gas in der Detektorzelle und ist von diesem absorbierbar, wodurch die mittels des Mikrofons detektierbaren Druckschwankungen umso geringer sind, je höher die Konzentration des zu detektierenden Gases im Gasgemisch ist.
Um sicherzustellen, dass sich in der Detektorzelle die Konzentration des Gases auch über eine sehr lange Zeitspanne nicht ändert, ist die Detektorzelle vorzugsweise zusätzlich mit einem so genannten Inhibitorgas oder Stabilisierungsgas befüllt. Dieses Inhibitorgas stabilisiert das Gas in der Detektorzelle und verhindert beispielsweise chemische und/oder physikalische Zersetzungs- oder Umwandlungsprozesse des Gases in der Detektorzelle oder verlangsamt diese zumindest deutlich. Dadurch ist auch bei einem sehr langen Einsatz der Sensoranordnung deren ordnungsgemäße Funktion sichergestellt, da sich die Konzentration des Gases in der Detektorzelle nicht verändert. Auf diese Weise ist die Sensoranordnung sehr lange Zeit wartungsfrei oder zumindest wartungsarm einsetzbar, wobei jederzeit die Detektion und Konzentrationsermittlung des zu detektierenden Gases im Gasgemisch, beispielsweise in der Umgebungsluft, sichergestellt ist.
Ist nur ein Gas im Gasgemisch zu detektieren bzw. dessen Konzentration im Gasgemisch zu ermitteln, so ist die Detektorzelle bevorzugt mit einer einhundertprozentigen Konzentration des zu detektierenden Gases befüllt. Bei zwei verschiedenen im Gasgemisch zu detektierenden Gasen setzt sich eine Befüllung der Detektorzelle beispielsweise aus einer Konzentration von 50% jedes der zu detektierenden Gase zusammen, wobei auch andere Mischungsverhältnisse möglich sind. Auf diese Weise sind zwei Gase gleichzeitig im Gasgemisch, mit welchem die Messzelle befüllt ist, detektierbar und deren jeweilige Konzentration im Gasgemisch ist ermittelbar. Bei drei oder mehr zu detektierenden Gasen ist das Mischungsverhältnis in der Detektorzelle entsprechend anzupassen.
Die Befüllung der Detektorzelle bzw. eine Konzentrationsverteilung der Befüllung ist des Weiteren beispielsweise derart vornehmbar, dass bei entsprechenden Konzentrationen des zu detektierenden Gases bzw. der zu detektierenden Gase im Gasgemisch, mit welchem die Messzelle befüllt ist, ein Warnsignal generierbar ist. Diese entsprechenden Konzentrationen sind beispielsweise Gefahrengrenzen im Gasgemisch, d. h. in der Umgebungsluft, wie beispielsweise 1,5% Kohlendioxid oder 2% Methan.
Vorzugsweise sind innerhalb und/oder außerhalb der Detektorzelle ein oder mehrere Infrarotstrahlungssensoren, welche bevorzugt als Bolometer ausgebildet sind, angeordnet. Mittels dieser Bolometer ist eine weitere Bestimmung der Strahlungsenergie möglich, welche das Gasgemisch in der Messzelle ohne eine Absorption passiert hat. Dadurch ist beispielsweise eine Messredundanz ermöglicht. Ist ein Bolometer außerhalb der Detektorzelle angeordnet, sind dadurch beispielsweise eine Verschmutzung des infrarotstrahlungsdurchlässigen Fensters oder der Strahlungsquelle und daraus resultierende Messfehler ermittelbar. Des Weiteren sind dadurch beispielsweise Messfehler durch von der Umgebung verursachte Druckveränderungen in der Detektorzelle, beispielsweise durch eine Schalleinwirkung auf die Detektorzelle ermittelbar, so dass dadurch eine Störungskompensation erreichbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Detektoreinrichtung zwei Detektorzellen auf, welche mit zumindest einem zu detektierenden Gas gefüllt sind, wobei die Detektorzellen jeweils ein Mikrofon aufweisen und/oder über einen Strömungssensor miteinander verbunden sind und wobei zumindest eine der Detektorzellen ein infrarotstrahlungsdurchlässiges Fenster aufweist. Der Strömungssensor kann vorzugsweise auch einen bevorzugt als Bolometer ausgebildeten Infrarotstrahlungssensor aufweisen. Auch hier sind vorzugsweise innerhalb und/oder außerhalb einer der Detektorzellen oder beider Detektorzellen ein oder mehrere bevorzugt als Bolometer ausgebildete Infrarotstrahlungssensoren angeordnet. Die obigen Erläuterungen zu der Detektorzelle, insbesondere deren Befüllung mit dem Gas bzw. mit der Mehrzahl von Gasen und gegebenenfalls mit dem Inhibitorgas gelten hier analog für beide Detektorzellen.
Durch die Verbindung der Detektorzellen resultiert aus den Druckschwankungen in einer der Detektorzellen ein Druckausgleich zwischen den Detektorzellen durch einen Gasaustausch, d. h. durch ein Überströmen von Gas von einer Detektorzelle in die andere Detektorzelle, welches vom Strömungssensor ermittelbar ist. Dadurch sind auf verschiedene Weise ermittelte Werte, mittels der Mikrofone, mittels des Strömungssensors und/oder mittels des oder der Bolometer, miteinander vergleichbar und auf diese Weise eine Fehlerkorrektur realisierbar. Mittels der zweiten Detektorzelle ist insbesondere eine Temperatur-, Druck- und Störungskompensation realisierbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung 1 zur Erfassung von Kenngrößen einer Umgebung. Dazu weist die dargestellte Sensoranordnung 1 zwei Gassensoren 2, 3, einen Umgebungstemperatursensor 4 und einen Feuchtigkeitssensor 5 auf, welche in einem gemeinsamen Gehäuse 6 angeordnet und mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit 7 verbunden sind, welche beispielsweise als Mikroprozessor ausgebildet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind hier Verbindungsleitungen zwischen der Auswerteeinheit 7 und den einzelnen Sensoren 2, 3, 4, 5 nicht dargestellt.
Ein optischer Gassensor 2 umfasst eine Infrarotstrahlung emittierende Strahlungsquelle 8, eine Messzelle 9 und eine Detektoreinrichtung 10, wobei die Messzelle 9 mit einem zu analysierenden Gasgemisch aus der Umgebung der Sensoranordnung 1 befüllbar und von der Infrarotstrahlung durchstrahlbar ist. Die Strahlungsquelle 8 des optischen Gassensors 2 ist ein auf einem keramischen Träger angeordneter Heiz- und Messwiderstand eines chemischen Gassensors 3, welcher als gassensitiver Halbleitersensor ausgebildet ist und auf dem keramischen Träger zumindest eine gassensitive Halbleiter-Metalloxidschicht 11 aufweist. Das Gasgemisch aus der Umgebung der Sensoranordnung 1 ist beispielsweise Umgebungsluft. Der chemische Gassensor 3 mit seiner zumindest einen gassensitiven Halbleiter-Metalloxidschicht 11 und die Infrarotstrahlung emittierende Strahlungsquelle 8 sind vorzugsweise auf einem gemeinsamen Chip angeordnet und dadurch sehr Bauraum sparend ausgebildet und sehr kostengünstig herstellbar.
Das grundlegende Prinzip gassensitiver Halbleitersensoren beruht auf der Leitfähigkeitsänderung der Halbleiter-Metalloxidschicht 11 bei der Einwirkung von Gasen. Vorteilhafterweise weist der als gassensitiver Halbleitersensor ausgebildete chemische Gassensor 3 eine Mehrzahl von gassensitiven Halbleiter-Metalloxidschichten 11 auf, so dass mittels dieses chemischen Gassensors 3 eine Mehrzahl verschiedener Gase detektierbar und deren jeweilige Konzentrationen ermittelbar sind. Ein derartiger als gassensitiver Halbleitersensor ausgebildeter chemischer Gassensor 3 ist beispielsweise ein so genanntes Triplesensorelement und weist drei gassensitive Halbleiter-Metalloxidschichten 11 auf, so dass drei verschiedene Gase detektierbar und deren jeweilige Konzentrationen ermittelbar sind.
Die Strahlungsquelle 8 ist beispielsweise auf 300°C bis 400°C aufheizbar, wodurch sie als ein so genannter Schwarzstrahler wirkt und die Infrarotstrahlung abstrahlt. Dabei weist die Strahlungsquelle 8 eine sehr geringe Leistungsaufnahme von beispielsweise 200 mW bis 400 mW auf.
Vorzugsweise weist die Strahlungsquelle 8, wie hier dargestellt, auf einer der Halbleiter-Metalloxidschicht 11 abgewandten Seite des keramischen Trägers eine Infrarotstrahlung emittierende Beschichtung 12 auf, beispielsweise eine Nanoschicht, welche in einem Infrarotbereich eines zu detektierenden Gases, beispielsweise Kohlendioxid, eine höhere Infrarotstrahlungsemission aufweist als ein Material des keramischen Trägers. Diese Beschichtung 12 ermöglicht eine Emission einer entsprechenden Infrarotstrahlung schon bei niedrigen Temperaturen. Auf diese Weise ist bei einem geringeren Energieverbrauch eine Infrarotstrahlung mit einer höheren Intensität und/oder mit einer anderen Wellenlänge abstrahlbar.
Der Feuchtigkeitssensor 5 ist ein kapazitiver Sensor, vorzugsweise ein keramischer Interdigitalkondensator und in der Messzelle 9 angeordnet. Dies ermöglicht auf einfache Weise eine exakte Bestimmung der Feuchtigkeit und des Weiteren auch einer Temperatur des Gasgemischs, beispielsweise der Umgebungsluft, in der Messzelle 9 durch eine Ermittlung von Kapazitätsveränderungen und/oder Widerstandsveränderungen aufgrund der Feuchtigkeit des Gasgemischs, welches ein Dielektrikum des Interdigitalkondensators bildet und daher aufgrund eines unterschiedlichen Feuchtegehalts unterschiedlich leitfähig ist.
Des Weiteren ist mittels des Feuchtigkeitssensors 5 auch eine Betauung feststellbar, welche beispielsweise Messfehler der Detektoreinrichtung 10 verursachen könnte. Dazu weist der Feuchtigkeitssensor 5 vorzugsweise einen Temperatursensor auf. Dieser Temperatursensor oder ein weiterer, in der Messzelle 9 angeordneter Temperatursensor ist auch zur Bestimmung der Temperatur in der Umgebung der Sensoranordnung 1 nutzbar. In dieser Ausführungsform weist die Sensoranordnung 1 zu diesem Zweck aber einen Umgebungstemperatursensor 4 am Gehäuse 6 auf, um Messfehler zu vermeiden. Der Interdigitalkondensator ermöglicht eine einfache Gestaltungsweise und eine einfache Signalauswertung, wobei insbesondere, im Gegensatz zu anderen Möglichkeiten der Feuchtigkeitsbestimmung, mittels des Interdigitalkondensators Fehler aufgrund von Verschmutzungen vermieden sind.
Die Sensoranordnung 1 bildet einen Multifunktionssensor zur Ermittlung von klimarelevanten und personenrelevanten, d. h. behaglichkeitsrelevanten Daten, mittels welchen beispielsweise in Räumen oder in Fahrzeugen eine Be- und Endlüftung und/oder Klimatisierung regelbar ist. So sind eine Luftgüte über Leitsubstanzen im Bereich leichtflüchtiger Stoffe (VOC) sowie eine Konzentration von Kohlendioxid und weiteren infrarotstrahlungsabsorbierenden Gasen wie Methan und weitere Kohlenwasserstoffe (C_XH₄), Aerosole, eine Luftfeuchtigkeit und eine Umgebungstemperatur mittels der Sensoranordnung 1 bestimmbar und durch eine entsprechende Regelung beeinflussbar.
Nach dem Stand der Technik sind derartige Kenngrößen nur mit Einzelsensoren messbar, wobei eine Regelung beispielsweise einer Klimaanlage jeweils nur nach entsprechenden Einzelwerten erfolgt. Mittels der Sensoranordnung 1 sind die von den verschiedenen Sensoren 2, 3, 4, 5 ermittelten Werte kombinierbar, so dass eine auf alle ermittelten Kenngrößen abgestimmte und dadurch optimierte Regelung erfolgen kann.
Des Weiteren ist durch die Kombination der Sensoren 2, 3, 4, 5 in der Sensoranordnung 1 und insbesondere durch die Kombination der Strahlungsquelle 8 mit dem chemischen Gassensor 3, so dass gleichzeitig eine weitere Gasdetektion und -messung ermöglicht ist, eine erhebliche Energieeinsparung gegenüber einer Lösung mit mehreren einzelnen Sensoren erzielbar. Daher ist der chemische Gassensor 3 besonders vorteilhaft derart ausgebildet, dass dessen zumindest eine gassensitive Halbleiter-Metalloxidschicht 11 und die Infrarotstrahlung emittierende Strahlungsquelle 8 auf einem gemeinsamen Chip angeordnet und dadurch sehr Bauraum sparend ausgeformt und sehr kostengünstig herstellbar sind. Durch die Unterbringung der Sensoranordnung 1 mit mehreren Sensoren 2, 3, 4, 5 in einem Gehäuse 6 ist des Weiteren eine Bauraumreduktion und eine vereinfachte und kostengünstige Installation der Sensoranordnung 1 in einem Raum oder in einem Fahrzeug ermöglicht.
Zudem ist durch die Mehrzahl von Sensoren 2, 3, 4, 5, welche mit der gemeinsamen Auswerteeinheit 7 verbunden sind, eine Zuverlässigkeit der einzelnen Sensorergebnisse durch eine Berücksichtigung von Querempfindlichkeiten der Sensoren 2, 3, 4, 5 bei verschiedenen Umgebungsbedingungen bewertbar, so dass beispielsweise einzelne Sensorergebnisse korrigierbar oder unter bestimmten Bedingungen vernachlässigbar sind.
Zu einer Taktung der Bestrahlung der Messzelle 9 ist die Strahlungsquelle 8 durch eine zeitweise Unterbrechung einer Energiezufuhr pulsierbar oder es ist, wie im hier dargestellten Beispiel, eine bewegbare Blende 13 zwischen der Strahlungsquelle 8 und der Messzelle 9 angeordnet. Die bewegbare Blende 13, auch Chopper oder Pulsformer genannt, ist mittels eines Motors 14 beispielsweise vor der Strahlungsquelle 8 rotierbar.
Durch diese Taktung der Bestrahlung ist eine Stärke der Strahlungsenergie veränderbar, wodurch in der Detektoreinrichtung 10 selektive Druckschwankungen erzeugbar sind, welche auswertbar sind. Die Druckschwankungen sind umgekehrt proportional zur Konzentration des jeweiligen zu detektierenden Gases im Gasgemisch der Messzelle 9, wobei auch gleichzeitig Konzentrationen mehrerer zu detektierender Gase bestimmbar sind. Das Gasgemisch ist vorzugsweise Umgebungsluft, mit welcher die Messzelle 9 befüllt ist. Dieses jeweilige zu detektierende Gas oder die Mehrzahl zu detektierender Gase, auch als Analyt bezeichnet, ist/sind beispielsweise Kohlendioxid, Methan und/oder weitere infrarotstrahlungsabsorbierende Gase, beispielsweise weitere Kohlenwasserstoffe (C_XH₄).
Auf diese Weise ist die Konzentration des zu detektierenden Gases, beispielsweise Kohlendioxid, im Gasgemisch ermittelbar. Bei Nutzung der bewegbaren Blende 13 ist diese bzw. deren Antriebsmechanismus beispielsweise auch zu einer Belüftung der Messzelle 9 nutzbar, um einen Austausch des Gasgemisches für eine weitere Messung zu realisieren. Dazu ist die bewegbare Blende 13 beispielsweise als Ventilator ausgebildet. Durch die Taktung der Bestrahlung sind Nullpunktdriften eines empfangenen Signals der Detektoreinrichtung 10 vermeidbar und das empfangene Signal ist mit der Infrarotstrahlung der Strahlungsquelle 8 korrelierbar.
Die Detektoreinrichtung 10 ist als ein photoakustischer Strahlungsdetektor ausgebildet, mittels welchem durch eine Absorption der Strahlungsenergie hervorgerufene Temperatur- und/oder Druckschwankungen auswertbar sind. Eine derartige Absorption tritt für jedes Gas in einem jeweils charakteristischen Wellenlängenbereich auf. Daher absorbiert bereits das im Gasgemisch der Messzelle 9 vorhandene zu detektierende Gas entsprechend dessen Konzentration einen Anteil der von der Strahlungsquelle 8 abgestrahlten Infrarotstrahlung. Eine von der Detektoreinrichtung 10 ermittelte Strahlungsintensität hinter der Messzelle 9 ist daher gemäß dem bekannten Lambert-Beer'schen Gesetz ein Maß für die Konzentration des absorbierenden Gases im Gasgemisch der Messzelle 9.
Die Detektoreinrichtung 10 umfasst zumindest eine erste Detektorzelle 15 mit einem infrarotstrahlungsdurchlässigen Fenster 16, welche mit zumindest einem zu detektierenden Gas, beispielsweise Kohlendioxid, gefüllt ist und ein erstes Mikrofon 17 aufweist. Mittels des ersten Mikrofons 17, welches einen Schwingungssensor bildet, sind durch Absorption der Strahlungsenergie hervorgerufene Druckveränderungen in der ersten Detektorzelle 15 ermittelbar.
Diese Druckveränderungen oder Druckschwankungen sind nur abhängig von einer zu ermittelnden Konzentration des Gases im Gasgemisch in der Messzelle 9, da sich die Konzentration des zu detektierenden Gases in der ersten Detektorzelle 15 nicht verändert. Von dem Gas in der Messzelle 9 erfolgt eine Absorption der Strahlungsenergie. Nur die nicht absorbierte Strahlungsenergie erreicht danach die erste Detektorzelle 15 und ist, wenn die Infrarotstrahlung eine charakteristische Wellenlänge des zu detektierenden Gases aufweist, von dem in dieser befindlichen Gas absorbierbar. D. h. je höher die Konzentration des zu detektierenden Gases im Gasgemisch der Messzelle 9, desto weniger Strahlungsenergie erreicht das Gas in der ersten Detektorzelle 15 und ist von diesem absorbierbar, wodurch die mittels des ersten Mikrofons 17 detektierbaren Druckschwankungen umso geringer sind, je höher die Konzentration des zu detektierenden Gases im Gasgemisch ist.
Um sicherzustellen, dass sich in der ersten Detektorzelle 15 die Konzentration des Gases auch über eine sehr lange Zeitspanne nicht ändert, ist die erste Detektorzelle 15 vorzugsweise zusätzlich mit einem so genannten Inhibitorgas oder Stabilisierungsgas befüllt. Dieses Inhibitorgas stabilisiert das Gas in der ersten Detektorzelle 15 und verhindert beispielsweise chemische und/oder physikalische Zersetzungs- oder Umwandlungsprozesse des Gases in der ersten Detektorzelle 15 oder verlangsamt diese zumindest deutlich. Dadurch ist auch bei einem sehr langen Einsatz der Sensoranordnung 1 deren ordnungsgemäße Funktion sichergestellt, da sich die Konzentration des Gases in der ersten Detektorzelle 15 nicht verändert. Auf diese Weise ist die Sensoranordnung 1 sehr lange Zeit wartungsfrei oder zumindest wartungsarm einsetzbar, wobei jederzeit die Detektion und Konzentrationsermittlung des zu detektierenden Gases im Gasgemisch, beispielsweise in der Umgebungsluft, sichergestellt ist.
Ist nur ein Gas im Gasgemisch zu detektieren bzw. dessen Konzentration im Gasgemisch zu ermitteln, so ist die erste Detektorzelle 15 bevorzugt mit einer einhundertprozentigen Konzentration des zu detektierenden Gases befüllt. Bei zwei verschiedenen im Gasgemisch zu detektierenden Gasen setzt sich eine Befüllung der ersten Detektorzelle 15 beispielsweise aus einer Konzentration von 50% jedes der zu detektierenden Gase zusammen, wobei auch andere Mischungsverhältnisse möglich sind. Auf diese Weise sind zwei Gase gleichzeitig im Gasgemisch, mit welchem die Messzelle 9 befüllt ist, detektierbar und deren jeweilige Konzentration ist im Gasgemisch ermittelbar. Bei drei oder mehr zu detektierenden Gasen ist das Mischungsverhältnis in der ersten Detektorzelle 15 entsprechend anzupassen.
Die Befüllung der ersten Detektorzelle 15 bzw. eine Konzentrationsverteilung der Befüllung ist des Weiteren beispielsweise derart vornehmbar, dass bei entsprechenden Konzentrationen des zu detektierenden Gases bzw. der zu detektierenden Gase im Gasgemisch, mit welchem die Messzelle 9 befüllt ist, ein Warnsignal generierbar ist. Diese entsprechenden Konzentrationen sind beispielsweise Gefahrengrenzen im Gasgemisch, d. h. in der Umgebungsluft, wie beispielsweise 1,5% Kohlendioxid oder 2% Methan.
Die Druckschwankungen resultieren aus einem Wechsel aus Aufheizen und Abkühlen des Gases in der ersten Detektorzelle 15, da die Infrarotstrahlung der Strahlungsquelle 8 durch An- und Abschalten der Strahlungsquelle 8 bzw. durch die Blende 13 pulsiert, so dass abwechselnd eine Bestrahlung mit Absorption und daraus resultierender Aufheizung und Druckerhöhung und eine nachfolgende Unterbrechung der Bestrahlung mit daraus resultierender Abkühlung und Druckabsenkung erfolgt.
Im hier dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Detektoreinrichtung 10 zwei Detektorzellen 15, 18 auf, welche mit dem zumindest einen zu detektierenden Gas gefüllt sind. Die Detektorzellen 15, 18 sind über einen Strömungssensor 19 miteinander verbunden. Die erste Detektorzelle 15 weist das infrarotstrahlungsdurchlässiges Fenster 16 auf. Durch dieses Fenster 16 dringt ein nicht bereits vom Gas des Gasgemischs in der Messzelle 9 absorbierter Anteil der Infrarotstrahlung in die erste Detektorzelle 15 ein und ist vom Gas in der ersten Detektorzelle 15 absorbierbar. Die obigen Erläuterungen zu der ersten Detektorzelle 15, insbesondere deren Befüllung mit dem Gas bzw. mit der Mehrzahl von Gasen und gegebenenfalls mit dem Inhibitorgas gelten hier analog für beide Detektorzellen 15, 18.
Durch eine Absorption der Strahlungsenergie erwärmt findet eine Temperatur- und Druckerhöhung in der ersten Detektorzelle 15 statt. Da die Detektorzellen 15, 18 miteinander verbunden sind, erfolgt daraufhin ein Druckausgleich zwischen den Detektorzellen 15, 18 über den Strömungssensor 19. Die mittels des Strömungssensors 19 erfassbare Strömung zwischen den Detektorzellen 15, 18 ist abhängig vom Druckunterschied zwischen den Detektorzellen 15, 18. Dieser Druckunterschied ist abhängig von der Höhe der absorbierten Strahlungsenergie des Gases in der ersten Detektorzelle 15, welche wiederum abhängig ist von der Höhe der bereits in der Messzelle 9 absorbierten Strahlungsenergie. Aufgrund dessen ist eine Konzentration des zu detektierenden Gases im Gasgemisch der Messzelle 9 ermittelbar, denn je höher die Konzentration, desto mehr Strahlungsenergie ist bereits in der Messzelle 9 absorbierbar.
Des Weiteren ist im hier dargestellten Beispiel in der ersten Detektorzelle 15 ein erster Infrarotstrahlungssensor 20 in Form eines Bolometers installiert, mittels welchem beispielsweise eine redundante Messung der Strahlungsenergie ermöglicht ist. Ein zweiter derartiger als Bolometer ausgebildeter Infrarotstrahlungssensor 21 ist im hier dargestellten Beispiel außerhalb der zweiten Detektorzelle 18 installiert. Auf diese Weise ist beispielsweise eine Verschmutzung des infrarotdurchlässigen Fensters 16 ermittelbar, wenn die mittels der Detektoreinrichtung 10 ermittelte Konzentration und die mittels des außerhalb angeordneten als Bolometers ausgebildeten zweiten Infrarotstrahlungssensors 21 ermittelte Konzentration voneinander abweichen.
Der Strömungssensor 19 kann vorzugsweise auch einen bevorzugt als Bolometer ausgebildeten hier nicht näher dargestellten weiteren Infrarotstrahlungssensor aufweisen. Auch in der Messzelle 9 in der Nähe der Strahlungsquelle 8 kann ein derartiger als Bolometer ausgebildeter nicht näher dargestellter weiterer Infrarotstrahlungssensor angeordnet sein, um die von der Strahlungsquelle 8 abgestrahlte Infrarotstrahlung zu ermitteln und dadurch ein ordnungsgemäßes Funktionieren der Strahlungsquelle 8 sicherzustellen und eine eventuelle Verschmutzung der Strahlungsquelle 8 zu erkennen.
Des Weiteren weisen beide Detektorzellen 15, 18 jeweils ein Mikrofon 17, 22 auf, um auch auf diese Weise die Druckschwankungen aufgrund der Strahlungsabsorption zu ermitteln. Dadurch sind auf verschiedene Weise ermittelte Werte, mittels der Mikrofone 17, 22, mittels des Strömungssensors 19 und mittels der als Bolometer ausgebildeten Infrarotstrahlungssensoren 20, 21, miteinander vergleichbar und auf diese Weise eine Fehlerkorrektur realisierbar.
Mittels der zweiten Detektorzelle 18 ist insbesondere eine Temperatur-, Druck-, und Störungskompensation realisierbar. Derartige Störungseinflüsse sind beispielsweise nicht durch die Infrarotstrahlung verursachte Druck-, Temperatur-, und/oder Schalleinwirkungen auf die Detektorzellen 15, 18 aus der Umgebung der Sensoranordnung 1. In einer weiteren Ausführungsform kann dazu auch die zweite Detektorzelle 18 ein weiteres infrarotstrahlungsdurchlässiges Fenster aufweisen, mittels welcher ein nicht durch die Strahlungsquelle 8 verursachter Anteil der Infrarotstrahlung erfassbar und auf diese Weise kompensierbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Sensoranordnung
2: optischer Gassensor
3: chemischer Gassensor
4: Umgebungstemperatursensor
5: Feuchtigkeitssensor
6: Gehäuse
7: Auswerteeinheit
8: Strahlungsquelle
9: Messzelle
10: Detektoreinrichtung
11: Halbleiter-Metalloxidschicht
12: Beschichtung
13: Blende
14: Motor
15: erste Detektorzelle
16: Fenster
17: erstes Mikrofon
18: zweite Detektorzelle
19: Strömungssensor
20: erster Infrarotstrahlungssensor
21: zweiter Infrarotstrahlungssensor
22: zweites Mikrofon

Claims

Sensoranordnung (1) zur Erfassung von Kenngrößen einer Umgebung, umfassend zumindest einen Gassensor (2, 3), zumindest einen Umgebungstemperatursensor (4) und zumindest einen Feuchtigkeitssensor (5), welche in einem gemeinsamen Gehäuse (6) angeordnet und mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit (7) verbunden sind, wobei ein optischer Gassensor (2) eine Infrarotstrahlung emittierende Strahlungsquelle (8), eine Messzelle (9) und zumindest eine Detektoreinrichtung (10) aufweist, die ein photoakustischer Strahlungsdetektor ist, wobei die Messzelle (9) mit einem zu analysierenden Gasgemisch aus der Umgebung der Sensoranordnung (1) befüllbar und von der Infrarotstrahlung durchstrahlbar ist und wobei die Strahlungsquelle (8) ein auf einem keramischen Träger angeordneter Heiz- und Messwiderstand eines chemischen Gassensors (3) ist, welcher als gassensitiver Halbleitersensor ausgebildet ist und auf dem keramischen Träger zumindest eine gassensitive Halbleiter-Metalloxidschicht (11) aufweist.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (8) auf einer der Halbleiter-Metalloxidschicht (11) abgewandten Seite des keramischen Trägers eine Infrarotstrahlung emittierende Beschichtung (12) aufweist, welche in einem Infrarotbereich eines zu detektierenden Gases eine höhere Infrarotstrahlungsemission aufweist als ein Material des keramischen Trägers.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitssensor (5) ein kapazitiver Sensor ist.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitssensor (5) ein keramischer Interdigitalkondensator ist.
Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer Taktung der Bestrahlung der Messzelle (9) die Strahlungsquelle (8) durch eine zeitweise Unterbrechung einer Energiezufuhr pulsierbar ist oder dass eine bewegbare Blende (13) zwischen der Strahlungsquelle (8) und der Messzelle (9) angeordnet ist.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung (10) eine Detektorzelle (15) mit einem infrarotstrahlungsdurchlässigen Fenster (16) aufweist, welche mit zumindest einem zu detektierenden Gas gefüllt ist und ein Mikrofon (17) aufweist.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb und/oder außerhalb der Detektorzelle (15) ein oder mehrere Infrarotstrahlungssensoren (20, 21) angeordnet sind.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung (10) zwei Detektorzellen (15, 18) aufweist, welche mit zumindest einem zu detektierenden Gas gefüllt sind, wobei die Detektorzellen (15, 18) jeweils ein Mikrofon (17, 22) aufweisen und/oder über einen Strömungssensor (19) miteinander verbunden sind und wobei zumindest eine der Detektorzellen (15, 18) ein infrarotstrahlungsdurchlässiges Fenster (16) aufweist.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb und/oder außerhalb einer der Detektorzellen (15, 18) oder beider Detektorzellen (15, 18) ein oder mehrere Infrarotstrahlungssensoren (20, 21) angeordnet ist/sind.