DE102013207626A1 - Optical sensor - Google Patents
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Abstract
Optischer Sensor zur Messung der Konzentration eines Bestandteils oder einer Eigenschaft eines Abgases (102), wobei der optische Sensor (1) zumindest eine mit dem Abgas (102) in Berührung kommende optische Komponente (11, 13, 14, 24, 26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zutritt von Abgas an die zumindest eine mit dem Abgas (102) in Berührung kommende optische Komponente (11, 13, 14, 24, 26) durch zumindest einen Abscheidekanal (8), dessen Länge (L) größer als sein Durchmesser (D) ist, erfolgt.Optical sensor for measuring the concentration of a component or a property of an exhaust gas (102), the optical sensor (1) having at least one optical component (11, 13, 14, 24, 26) coming into contact with the exhaust gas (102), characterized in that the access of exhaust gas to the at least one optical component (11, 13, 14, 24, 26) coming into contact with the exhaust gas (102) through at least one separation channel (8), the length (L) of which is greater than Diameter (D).
Description
Stand der Technik State of the art
Die Erfindung geht aus von einem Sensor nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs, wie er beispielsweise aus der
Die dort beschriebenen Sensoren sind als optische Sensoren ausgebildet und weisen insofern eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht, eine von dem Licht durchstrahlte Messzelle und einen optischen Detektor zum nachfolgenden Nachweis des Lichts und seiner durch das in der Messzelle vorhandene Messgas in charakteristischer Weise veränderten Eigenschaften auf. The sensors described therein are designed as optical sensors and thus have a light source for generating light, a measuring cell irradiated by the light and an optical detector for the subsequent detection of the light and its properties by the measuring gas present in the measuring cell in a characteristic manner.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Bedürfnis zu Grunde, die optischen Komponenten des Sensors vor Verschmutzungen zu schützen und somit die Langlebigkeit bzw. die dauerhaft hohe Messgenauigkeit des Sensors beim Einsatz als Abgassensor, beispielsweise im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine oder eines Brenners, weiter zu verbessern. The present invention is based on the need to protect the optical components of the sensor from contamination and thus to further improve the longevity or the permanently high measurement accuracy of the sensor when used as an exhaust gas sensor, for example in the exhaust gas tract of an internal combustion engine or a burner.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Erfindungsgemäße Sensoren haben insbesondere den Vorteil, dass ihre optischen Komponenten langfristig und effizient vor Verschmutzung geschützt sind, sodass eine hohe Messgenauigkeit langfristig sichergestellt ist. Sensors according to the invention have the particular advantage that their optical components are protected against contamination in the long term and efficiently, so that a high measuring accuracy is ensured in the long term.
Hierfür ist es vorgesehen, dass der Zutritt von Abgas an zumindest eine mit dem Abgas in Berührung kommende optische Komponente durch zumindest einen Abscheidekanal, dessen Länge L größer als sein Durchmesser D ist, erfolgt. For this purpose, it is provided that the admission of exhaust gas to at least one coming into contact with the exhaust gas optical component by at least one separation channel whose length L is greater than its diameter D occurs.
Der Wirkung liegt folgendes Prinzip zu Grunde: Partikel, die durch einen Abscheidekanal transportiert werden, insbesondere also durch ein langes, dünnes Röhrchen, werden zu einem hohen Anteil an der Wand des Abscheidekanals abgeschieden, bevor sie das Ende des Abscheidekanals erreichen. Der Abscheidegrad ist umso höher, je größer das Verhältnis von Länge L zu Durchmesser D ist. Die an der Wand des Abscheidekanals abgeschiedenen Partikel erreichen die optische Komponente nicht und können somit nicht zu deren Verschmutzung beitragen. The effect is based on the following principle: Particles that are transported through a separation channel, in particular through a long, thin tube, are deposited to a high extent on the wall of the separation channel before they reach the end of the separation channel. The degree of separation is higher, the greater the ratio of length L to diameter D. The particles deposited on the wall of the separation channel do not reach the optical component and thus can not contribute to their contamination.
Der Abscheidekanal kann insbesondere gerade sein und eine kreisförmige Grundfläche aufweisen. Den Begriffen Länge und Durchmesser kommt dann ihre natürliche Bedeutung zu. Anderseits sind auch gekrümmte Abscheidekanäle und/oder beliebige Grundflächen möglich. Die Länge des Abscheidekanals ergibt sich in diesem Fall aus der Länge des vom Gas bei Zutritt an die optische Komponente in dem Abscheidekanal zurückgelegten Wegs. Der Durchmesser der Grundfläche des Abscheidekanals ergibt sich in diesem Fall aus dem Durchmesser einer flächengleichen kreisförmigen Grundfläche. Es ist insbesondere möglich, dass mehrere Abscheidekanäle mit der Grundfläche eines regelmäßigen Sechsecks bienenwabenmusterartig nebeneinander angeordnet sind. The separation channel may in particular be straight and have a circular base area. The terms length and diameter are then their natural importance. On the other hand, curved Abscheidekanäle and / or any base surfaces are possible. In this case, the length of the separation channel results from the length of the path traveled by the gas upon access to the optical component in the separation channel. The diameter of the base of the separation channel results in this case from the diameter of an area equal circular base. In particular, it is possible for a plurality of separation channels to be arranged next to one another in a honeycomb pattern with the base area of a regular hexagon.
Der Zutritt des Abgases zu der dem Abgas ausgesetzten optischen Komponente kann insbesondere ausschließlich über einen Abscheidekanal, oder insbesondere ausschließlich über mehrere Abscheidekanäle der erfindungsgemäßen Art erfolgen. Grundsätzlich sind aber auch Nebenschlüsse des Gaszutritts zu dem Abscheidekanal oder zu den Abscheidekanälen möglich. Diese Nebenschlüsse machen jedoch bevorzugt nicht mehr als 50%, besonders bevorzugt sogar nicht mehr als 10% der gesamten freien Querschnittsfläche des Gaszutritts zu der optischen Komponente aus, da ansonsten die Menge der zu der optischen Komponente gelangenden Partikel durch den Abscheidekanal bzw. durch die Abscheidekanäle nicht mehr ausreichend wirksam vermindert werden könnte. The access of the exhaust gas to the exhaust-exposed optical component can be carried out in particular exclusively via a separation channel, or in particular exclusively via a plurality of separation channels of the type according to the invention. In principle, shunts of gas access to the separation channel or to the separation channels are also possible. However, these shunts are preferably not more than 50%, particularly preferably not more than 10% of the total free cross-sectional area of the gas inlet to the optical component, otherwise the amount of passing to the optical component particles through the Abscheidekanal or through the Abscheidekanal could no longer be sufficiently effectively reduced.
Die Abscheidung der Partikel verbessert sich mit zunehmender Länge und mit abnehmendem Durchmesser des Abscheidekanals bzw. der Abscheidekanäle. Um eine nennenswerte Abscheidung zu erlangen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Durchmesser D des Abscheidekanals bzw. der Abscheidekanäle kleiner ist als die Länge L des Abscheidekanals bzw. der Abscheidekanäle. Vorzugslösungen sehen vor, dass L = n·D bzw. L > n·D; wobei n eine ganze positive Zahl größer 1 ist, also z.B. 2, 3, 4, 5 oder einer der größeren ganzzahligen Werte, zum Beispiel 10 oder sogar 20. The deposition of the particles improves with increasing length and with decreasing diameter of the separation channel or the separation channels. In order to obtain a significant deposition, it is provided according to the invention that the diameter D of the separation channel or of the separation channels is smaller than the length L of the separation channel or of the separation channels. Preferred solutions provide that L = n * D or L> n * D; where n is a whole positive number greater than 1, e.g. 2, 3, 4, 5 or one of the larger integer values, for example 10 or even 20.
Die mit dem Abgas in Berührung kommende optische Komponente kann eine Lichtquelle, insbesondere eine LED oder UV-LED, und/oder ein optischen Detektor und/oder ein Reflexionselement, zum Beispiel ein Umlenkspiegel oder ein Retroreflektor, und/oder zumindest eine optische Faser und/oder eine Fokussiereinrichtung, zum Beispiel eine Linse, umfassen. The optical component coming into contact with the exhaust gas may be a light source, in particular an LED or UV-LED, and / or an optical detector and / or a reflection element, for example a deflection mirror or a retro-reflector, and / or at least one optical fiber and / or or a focusing device, for example a lens.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der optische Sensor zwei Gehäuseteile umfasst, wobei insbesondere in jedem dieser Gehäuseteile eine mit dem Abgas in Berührung kommende optische Komponente angeordnet ist. Vorzugsweise sind diese mit dem Abgas in Berührung kommenden optischen Komponenten wie voranstehend erläutert jeweils durch einen Abscheidekanal oder durch mehrere Abscheidekanäle vor Verschmutzungen geschützt. Bevorzugt ist, dass beide Gehäuseteile jeweils mindestens einen Abscheidekanal aufweisen und der mindestens eine Abscheidekanal des einen Gehäuseteils koaxial zu dem mindestens einen Abscheidekanal des anderen Gehäuseteils angeordnet ist. Die Ausbreitung von Licht in Strahlform ist durch die Abscheidekanäle in diesem Fall verbessert. A development of the invention provides that the optical sensor comprises two housing parts, wherein in particular in each of these housing parts, an optical component coming into contact with the exhaust gas is arranged. Preferably, these optical components coming into contact with the exhaust gas are, as explained above, respectively protected from contamination by a separation channel or by a plurality of separation channels. It is preferred that both housing parts each have at least one separation channel and the at least one separation channel of the a housing part is arranged coaxially to the at least one separation channel of the other housing part. The propagation of light in the form of a beam is improved by the separation channels in this case.
Vorzugsweise sind die beiden Gehäuseteile beabstandet voneinander angeordnet und/oder durch ein Stützrohr miteinander verbunden. Das Stützrohr kann Öffnungen zum Eintritt von Abgas in den Sensor aufweisen und/oder eine Wandstärke aufweisen, die geringer ist als die der Gehäuseteile. Auch eine gleiche oder höhere Wandstärke ist grundsätzlich möglich und gegebenenfalls vorteilhaft. Preferably, the two housing parts are spaced from each other and / or connected by a support tube. The support tube may have openings for the entry of exhaust gas into the sensor and / or have a wall thickness which is less than that of the housing parts. A same or higher wall thickness is basically possible and possibly advantageous.
In Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Gehäuseteil und/oder das Stützrohr zumindest einen Abschälkragen aufweist, der ein Eindringen von Tropfen in die Messzelle, insbesondere eine Verschleppung von Tropfen über das Gehäuse bzw. das Stützrohr, zu verhindern vermag. In a further development, it can be provided that at least one housing part and / or the support tube has at least one peeling collar, which is able to prevent the penetration of drops into the measuring cell, in particular a carryover of drops via the housing or the support tube.
Die Abdichtung des Sensors gegenüber der Umgebung kann, dort wo gewünscht, zum Beispiel durch Verglasen erfolgen. Hierdurch wird eine sichere Abdichtung erreicht. Bevorzugt kommt hierfür die Verwendung von Quarzglas in Frage. Für mit dem Abgas in Berührung kommende optische Komponenten ist ebenfalls die Verwendung von Quarzglas bevorzugt. The sealing of the sensor with respect to the environment can, where desired, for example by glazing done. As a result, a secure seal is achieved. For this purpose, the use of quartz glass is preferred. For optical components in contact with the exhaust gas, the use of quartz glass is also preferred.
Optional kann der Sensor Schnittstellen zur lösbaren Verbindung mit Lichtleitern aufweisen. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass Mittel zur Lichtaufbereitung und Auswerteelektronik in einem separaten Gehäuse an einem geschützten Ort, beabstandet vom Sensor, angeordnet sind. Optionally, the sensor may have interfaces for releasable connection to optical fibers. In this case, it is preferred that means for light processing and evaluation electronics are arranged in a separate housing at a protected location, spaced from the sensor.
Auch eine einstückige/unlösbare Ausführung von Sensor und Lichtleitern ist möglich. Auch in diesem Fall ist es bevorzugt, dass Mittel zur Lichtaufbereitung und Auswerteelektronik in einem separaten Gehäuse an einem geschützten Ort, beabstandet vom Sensor, angeordnet sind. Also, a one-piece / non-detachable design of sensor and optical fibers is possible. Also in this case it is preferred that means for light processing and evaluation electronics are arranged in a separate housing at a protected location, spaced from the sensor.
Zeichnung drawing
Die
Das Wirkprinzip der Abscheidekanäle ist in
In den
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of the embodiments
In
Der Sensor
Der erste Gehäuseteil
Der zweite Gehäuseteil
Die Abscheidekanäle
Dem in
In Funktion der Anordnung erzeugt die UV-LED
In dem Messbereich
Nachfolgend passiert das Licht im zweiten Gehäuseteil
Das Wirkprinzip der Erfindung ist in
Sensoren
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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