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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Abgassensoren für Kraftfahrzeuge können optische Komponenten wie Lichtquellen, Detektoren, Koppler oder Splitter sowie eine Messzelle aufweisen. Um die optischen Komponenten thermisch von der Messzelle zu entkoppeln, können die optischen Komponenten beabstandet zur Messzelle angeordnet sein. Hierbei kann das Licht mithilfe einer Faser an die Messzelle herangeführt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Abgassensor für ein Fahrzeug, ein Verfahren zum Betreiben eines Abgassensors für ein Fahrzeug, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Unter einem Abgassensor kann ein Sensor zum Bestimmen einer Konzentration eines Gases oder eines Gasgemischs verstanden werden. Beispielsweise kann der Abgassensor hierzu in einem Abgasrohr eines Kraftfahrzeugs platziert werden. Je nach Ausführungsform kann der Abgassensor beispielsweise als Lambdasonde oder NOx-Sensor in Form eines keramischen Trägers aus Zirkoniumoxid oder Aluminiumoxid realisiert sein. Ferner kann sich der Abgassensor zur Durchführung spektroskopischer Messungen eignen. Hierbei können die Absorptionsbanden unterschiedlicher Gase ausgenutzt werden, um zwischen NO und NO2 zu unterscheiden oder auch andere Gase wie beispielsweise NH3, O2 oder SO2 zu detektieren.
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Ein Abgassensor für ein Fahrzeug weist die folgenden Merkmale auf:
eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls;
einen Messdetektor;
einen Referenzdetektor;
eine in einem Abgasstrom angeordneten oder anordenbaren Messkammer mit einer Messkammeröffnung und einem Reflexionselement; und
einen Strahlteiler, der ausgebildet ist, um einen ersten Strahlenanteil des Lichtstrahls auf den Referenzdetektor zu lenken und einen zweiten Strahlenanteil des Lichtstrahls durch die Messkammeröffnung auf das Reflexionselement zu lenken, wobei das Reflexionselement ausgebildet ist, um den zweiten Strahlenanteil durch die Messkammeröffnung zurück in einen Strahlengang zum Messdetektor zu reflektieren.
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Unter einer Lichtquelle kann beispielsweise eine Leuchtdiode, eine Laserdiode oder auch eine Anordnung aus einer Mehrzahl solcher Dioden verstanden werden. Unter einem Messdetektor und einem Referenzdetektor kann jeweils ein elektronisches Bauelement wie etwa eine Fotodiode zum Detektieren einer Intensität eines Lichtstrahls verstanden werden. Die Messkammer kann ausgebildet sein, um das Gas oder das Gasgemisch, dessen Konzentration bestimmt werden soll, aufzunehmen. Beispielsweise kann die Messkammer hierzu aus einem porösen Material gefertigt sein. Unter einem Reflexionselement kann beispielsweise ein Spiegel oder ein sonstiges reflektierendes optisches Element zum Reflektieren von Lichtstrahlen verstanden werden. Beispielsweise kann das Reflexionselement auf einer der Messkammeröffnung gegenüberliegenden Wandfläche der Messkammer positioniert sein. Unter einem Strahlteiler kann ein optisches Baumelement verstanden werden, das ausgebildet ist, um einen einzelnen Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen zu trennen. Je nach Ausführungsform kann der Strahlteiler beispielsweise in Form einer Scheibe oder zweier aneinandergefügter Prismen realisiert sein.
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Je nach Ausführungsform kann der vom Reflexionselement reflektierte zweite Strahlenanteil mittels zumindest einem optischen Element, beispielsweise eines Spiegels, einer Linse oder des Strahlteilers auf den Messdetektor umgelenkt oder fokussiert werden.
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Der hier beschriebene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein Lichtstrahl innerhalb eines Abgassensors unter Verwendung eines Strahlteilers zugleich auf einen Referenzdetektor und einen Messdetektor und in eine Messzelle gelenkt werden kann. Eine derartige optische Freistrahlanordnung in einem Abgassensor bietet den Vorteil einer hohen Robustheit gegenüber Vibrationen oder Temperaturänderungen bei der Durchführung optischer Messungen von Gasen wie beispielsweise NO, NO2, SO2, NH3 oder O2 in einem Abgas.
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Hierbei kann die optische Vermessung des Abgases, insbesondere im UV-Bereich, beispielsweise 403 nm für NO2, 227 nm für NO, 285 nm für SO2 oder 217 nm für NH3, in einem sogenannten Freistrahlaufbau stattfinden. Das heißt, das Licht wird über den Strahlteiler auf den Referenzdetektor und in die Messzelle geführt. Von der Messzelle wird das Licht weiter auf den Messdetektor reflektiert. Hierbei können die optischen Komponenten beispielsweise fest mit der Messzelle im Abgasstrang verbunden sein.
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Ein derartiger Freistrahlaufbau hat den Vorteil, dass bei entsprechender Referenzierung der Lichtquelle und bei Verwendung einer Referenzwellenlänge zur Korrektur von Verschmutzungen o. Ä. Signaldrifts größtenteils vermieden werden können. Ein derartiger Abgassensor lässt sich zudem sehr einfach fertigen, da auf optische Fasern zur Lichtführung verzichtet werden kann. Ferner können durch die Freistrahlführung des Lichts Leistungsverluste reduziert werden. Dadurch kann das Signal-Rausch-Verhältnis und somit die Konzentrationsauflösung verbessert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Reflexionselement ausgebildet sein, um den zweiten Strahlenanteil zurück auf den Strahlteiler zu reflektieren. Dabei kann der Strahlteiler ausgebildet sein, um den vom Reflexionselement reflektierten zweiten Strahlenanteil auf den Messdetektor zu lenken. Dies kann durch eine geeignete Positionierung von Strahlteiler und Messdetektor erreicht werden. Dadurch kann auf die Verwendung zusätzlicher optischer Elemente zum Umlenken oder Fokussieren des zweiten Strahlenanteils innerhalb des Abgassensors verzichtet werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Reflexionselement ausgebildet ist, um den zweiten Strahlenanteil direkt auf den Messdetektor zu reflektieren. Hierzu können sowohl das Reflexionselement als auch der Messdetektor der Messkammeröffnung gegenüberliegend angeordnet sein, wobei die Messkammeröffnung zwischen dem Reflexionselement und dem Messdetektor angeordnet sein kann. Durch diese Ausführungsform kann die Anzahl optischer Elemente innerhalb des Abgassensors auf ein Minimum reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Abgassensor mit einem Gehäuse ausgeführt sein, das einen Gehäuseboden zum Aufnehmen der Lichtquelle, des Messdetektors, des Referenzdetektors oder des Strahlteilers und einen Gehäusedeckel zum Aufnehmen der Messkammer aufweist. Der Gehäusedeckel kann eine Gehäuseöffnung zum Durchlassen des zweiten Strahlenanteils aufweisen. Hierbei kann die Messkammeröffnung der Gehäuseöffnung gegenüberliegend angeordnet sein. Der Gehäuseboden kann beispielsweise eine Bodenfläche und eine die Bodenfläche umgebende Seitenwand aufweisen. Somit kann der Gehäuseboden beispielsweise becherförmig ausgestaltet sein. Je nach Ausführungsform kann der Gehäusedeckel dem Gehäuseboden gegenüberliegend angeordnet sein. Hierbei kann die Lichtquelle der Gehäuseöffnung gegenüberliegend auf dem Gehäuseboden angeordnet sein. Ein derartiges Gehäuse bietet den Vorteil eines einfachen Aufbaus sowie einer hohen Stabilität.
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Von Vorteil ist auch, wenn der Gehäusedeckel ein Gewinde zum Einschrauben des Abgassensors in ein Abgasrohr aufweist. Dadurch lässt sich der Abgassensor besonders einfach ein- und ausbauen. Das Gewinde kann derart am Gehäusedeckel platziert sein, dass sich beim Einschrauben des Abgassensors lediglich die Messkammer im Abgasrohr befindet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Gehäuseboden becherförmig ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Gehäuseboden als Kühlkörper ausgebildet sein. Hierzu kann der Gehäuseboden beispielsweise aus einem geeigneten Metall gefertigt sein. Durch diese Ausführungsform lässt sich die Effizienz des Abgassensors verbessern.
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Des Weiteren kann der Abgassensor eine Trägerplatte aufweisen. Die Lichtquelle, der Messdetektor und der Referenzdetektor können in einer gemeinsamen Ebene auf der Trägerplatte angeordnet sein. Dadurch können die Lichtquelle, der Messdetektor und der Referenzdetektor möglichst platzsparend innerhalb des Abgassensors angeordnet werden. Ferner lässt sich dadurch eine thermisch relevante Masse zur thermischen Stabilisierung der Lichtquelle, des Referenzdetektors und des Messdetektors reduzieren.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn die Trägerplatte der Messkammeröffnung gegenüberliegend angeordnet ist. Hierbei kann der Strahlteiler zwischen der Trägerplatte und der Messkammeröffnung angeordnet sein. Dadurch können die Lichtwege zwischen Lichtquelle, Messdetektor, Referenzdetektor und Reflexionselement möglichst kurz gehalten werden, womit Leistungsverluste reduziert werden können.
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Die Trägerplatte kann aus Metall gefertigt sein. Dadurch kann die Trägerplatte als Kühlkörper zum Kühlen der Lichtquelle, des Messdetektors und des Referenzdetektors fungieren.
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Ferner kann der Abgassensor ein Heizelement zum Beheizen der Trägerplatte aufweisen. Unter einem Heizelement kann ein elektrothermischer Wandler wie beispielsweise ein Peltier-Element verstanden werden. Mithilfe des Heizelements kann eine Temperatur der Lichtquelle, des Messdetektors bzw. des Referenzdetektors möglichst konstant gehalten werden.
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Von Vorteil ist auch, wenn der Messdetektor und der Referenzdetektor einander gegenüberliegend angeordnet sind. Hierbei kann der Strahlteiler zwischen dem Messdetektor und dem Referenzdetektor angeordnet sein. Beispielsweise können der Messdetektor und der Referenzdetektor je an einer Seitenwand des Gehäusebodens angeordnet sein, während die Lichtquelle auf der Bodenfläche des Gehäusebodens angeordnet sein kann. Auch durch diese Ausführungsform wird eine besonders platzsparende Anordnung der optischen Komponenten des Abgassensors ermöglicht.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Abgassensors gemäß einem der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Aktivieren der Lichtquelle, um den Lichtstrahl auszusenden;
Einlesen eines beim Auftreffen des ersten Strahlenanteils auf den Referenzdetektor von dem Referenzdetektor bereitgestellten Referenzsignals und eines beim Auftreffen des zweiten Strahlenanteils auf den Messdetektor von dem Messdetektor bereitgestellten Messsignals; und
Bestimmen einer Abgaskonzentration in dem Abgasstrom unter Verwendung des Referenzsignals und des Messsignals.
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Beispielsweise kann das Referenzsignal eine Intensität des auf den Referenzdetektor auftretenden ersten Strahlenanteils repräsentieren. Ebenso kann auch das Messsignal eine Intensität des auf den Messdetektor auftretenden zweiten Strahlenanteils repräsentieren. Beispielsweise kann die Abgaskonzentration in Abhängigkeit von einer Abweichung zwischen den Intensitäten des ersten und zweiten Strahlenanteils bestimmt werden, wobei die Intensität des zweiten Strahlenanteils von dem in der Messkammer befindlichen Abgas verringert sein kann.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Abgassensor gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 eine schematische Darstellung eines Abgassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 eine schematische Darstellung eines Abgassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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4 eine schematische Darstellung eines Abgassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Abgassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, mit einem Abgassensor 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Abgassensor 102 ist in einem Abgasrohr 104 angeordnet, das einen Verbrennungsmotor 106 mit einem Auspuff 108 des Fahrzeugs 100 verbindet. Der Abgassensor 102 ist ausgebildet, um eine Konzentration von Abgasen wie etwa NO, NO2, NH3, O2 oder SO2 in einem durch das Abgasrohr 104 geleiteten Abgasstrom zu messen. Hierzu ist der Abgassensor 102 beispielsweise als ein spektroskopischer Abgassensor mit einer nachfolgend näher beschriebenen optischen Freistrahlanordnung realisiert. An den Abgassensor 102 ist ein Steuergerät 110 zum Ansteuern des Abgassensors 102 angeschlossen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgassensors 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei dem Abgassensor 102 handelt es sich beispielsweise um den anhand von 1 beschriebenen Abgassensor. Der Abgassensor 102 umfasst eine Lichtquelle 200 zum Aussenden eines Lichtstrahls 202, einen Messdetektor 204 sowie einen Referenzdetektor 206. Des Weiteren ist der Abgassensor 102 mit einer in einem Abgasstrom platzierbaren Messkammer 208 realisiert, auch Messzelle genannt. Die Messkammer 208 weist eine Messkammeröffnung 210, hier in Form eines Fensters, sowie ein Reflexionselement 212, hier einen Spiegel, auf. Beispielhaft ist das Reflexionselement 212 in 1 der Messkammeröffnung 210 gegenüberliegend angeordnet.
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Der von der Lichtquelle 200 ausgesandte Lichtstrahl 202 wird mittels eines Strahlteilers 214 in einen ersten Strahlenanteil 216 und einen zweiten Strahlenanteil 218 geteilt. Hierbei wird der erste Strahlenanteil 216 durch den Strahlteiler 214 auf den Referenzdetektor 206 reflektiert und der zweite Strahlenanteil 118 auf eine von der Lichtquelle 200 abgewandte Seite des Strahlteilers 214 durchgelassen, sodass der zweite Strahlenanteil 218 durch die Messkammeröffnung 210 auf das Reflexionselement 212 innerhalb der Messkammer 208 trifft und von dort durch die Messkammeröffnung 210 zurück in einen Strahlengang zum Messdetektor 204 reflektiert wird. Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel trifft der vom Reflexionselement 212 reflektierte zweite Strahlenanteil 218 wiederum auf den Strahlteiler 214, genauer auf die von der Lichtquelle 200 abgewandte Seite des Strahlteilers 214, und wird schließlich von dort auf den Messdetektor 204 reflektiert.
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Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel ist der Abgassensor 102 mit einem Gehäuse 220 realisiert, das einen Gehäuseboden 222 und einen Gehäusedeckel 224 umfasst. Der Gehäuseboden 222 ist in 2 beispielhaft becherförmig ausgeführt. Auf einer Bodenfläche des Gehäusebodens 222 ist die Lichtquelle 200 angeordnet. Der Messdetektor 204 und der Referenzdetektor 206 sind einander gegenüberliegend an einer die Bodenfläche umgebenden Seitenwand des Gehäusebodens 222 angeordnet. Hierbei ist der Strahlteiler 214 zwischen den beiden Detektoren 204, 206 angeordnet. Der Strahlteiler 214 ist beispielsweise derart ausgerichtet, dass der Ausfallwinkel des ersten Strahlenanteils 216 und des vom Strahlteiler 214 in Richtung des Messdetektors 204 reflektierten zweiten Strahlenanteils 218 im Wesentlichen 45 Grad beträgt.
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Je nach Ausführungsbeispiel kann der Strahlteiler 214 auch in einem von dem in 2 gezeigten Winkel abweichenden Winkel zu den beiden Detektoren 204, 206 ausgerichtet sein.
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Der Gehäuseboden 222 ist beispielsweise aus Metall oder einem anderen wärmeleitfähigen Material gefertigt. Dadurch fungiert der Gehäuseboden 222 als Kühlkörper zum Kühlen der darauf montierten optischen Komponenten, d. h. der Lichtquelle 200, des Messdetektors 204 und des Referenzdetektors 206.
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Der Gehäusedeckel 224 ist gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel auf einer dem Gehäuseboden 222 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 220 angeordnet. Der Gehäusedeckel 224 weist eine Gehäuseöffnung 226 zum Durchlassen des vom Strahlteiler 214 transmittierten zweiten Strahlenanteils 218 auf. Hierbei ist die Messkammer 208 derart an dem Gehäusedeckel 224 befestigt, dass die Messkammeröffnung 210 der Gehäuseöffnung 226 gegenüberliegt. Lediglich beispielhaft sind in 2 die Lichtquelle 200 und der Strahlteiler 214 der Gehäuseöffnung 226 gegenüberliegend angeordnet, wobei der Strahlteiler 214 zwischen der Lichtquelle 200 und der Gehäuseöffnung 226 angeordnet ist. Je nach Ausführungsbeispiel können die Lichtquelle 200 und der Strahlteiler 214 auch an anderer Stelle innerhalb des Gehäuses 220 angeordnet sein, wobei der zweite Strahlenanteil 218 je nach Anordnung mithilfe geeigneter optischer Elemente wie etwa Spiegel oder Linsen durch die Gehäuseöffnung 226 zur Messkammeröffnung 210 gelenkt werden kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Gehäusedeckel 224 mit einem Gewinde ausgeführt. Das Gewinde ist beispielsweise als Außengewinde realisiert und mit einem entsprechenden Innengewinde innerhalb eines Abgasrohres zum Führen eines Abgasstroms verschraubbar. Beispielsweise kann der Abgassensor 102 mithilfe des Gewindes so weit in das Abgasrohr hineingeschraubt werden, dass sich die Messkammer 208 im Abgasstrom befindet. Um das Hineinschrauben zu erleichtern, weist der Gehäusedeckel 224 gemäß einem Ausführungsbeispiel benachbart zu dem Gewinde z.B. einen Sechskant 228 zum Angreifen mit einem Schraubenschlüssel auf.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Abgassensor 102 zumindest ein zusätzliches Element 230, beispielsweise eine Scheibe oder ein Fenster auf, um die Messkammer 208 von dem in 2 links dargestellten Teil des Gehäuses abzutrennen. Das Element 230 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel gasdicht gelagert und möglichst transparent für die verwendeten Wellenlängen. Generell können Linsen als Option eher vor den Detektoren 204, 206 und der Lichtquelle 200 angeordnet sein. In 2 ist das zusätzliche Element 230 beispielhaft innerhalb der Gehäuseöffnung 226 angeordnet.
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Die Lichtquelle 200 ist beispielsweise als ein Array verschiedener Leuchtdioden realisiert, deren Licht mithilfe eines geeigneten Gehäuses wie etwa eines Parabolspiegels oder einer Linse zu einem kollimierten Lichtstrahl geformt wird. Mithilfe des Strahlteilers 214 wird ein Teil des Lichts auf den Referenzdetektor 206 geführt, der beispielsweise ausgebildet ist, um ein in der Signalberechnung verwendbares Referenzdetektorsignal bereitzustellen. Der Rest des Lichts gelangt über die Messkammeröffnung 210 in Form eines Fensters in die Abgasmesszelle 208, die mittels des Gewindes in ein Abgasrohr eingeschraubt werden kann. Dort wird das Licht reflektiert, sodass es erneut auf den Strahlteiler 214 fällt, von dem wiederum ein Teil des Lichts auf den Messdetektor 204 umgelenkt wird. Der Messdetektor 204 ist ausgebildet, um eine gasabhängige Abschwächung des Lichts zu messen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgassensors 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Abgassensor 102 entspricht im Wesentlichen dem anhand von 2 beschriebenen Abgassensor, mit dem Unterschied, dass die Lichtquelle 200, der Messdetektor 204 und der Referenzdetektor 206 in geringem Abstand zueinander auf einer geraden Trägerplatte 300 montiert sind. Die Lichtquelle 200, der Messdetektor 204 und der Referenzdetektor 206 befinden sich somit in einer gemeinsamen Ebene. Die Trägerplatte 300 ist ihrerseits an der Bodenfläche des Gehäusebodens 222 befestigt, wobei die Lichtquelle 200, der Messdetektor 204 und der Referenzdetektor 206 auf eine von der Bodenfläche abgewandte Seite der Trägerplatte 300 aufgebracht sind.
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Gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Trägerplatte 300 der Gehäuseöffnung 226 und der Messkammeröffnung 210 gegenüberliegend angeordnet. Hierbei ist der Strahlteiler 214 zwischen der Trägerplatte 300 und der Gehäuseöffnung 226 angeordnet. Im Unterschied zu 2 ist das Reflexionselement 212 gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgebildet, um den zweiten Strahlenanteil 218 nicht zurück auf den Strahlteiler 214, sondern direkt auf den auf der Trägerplatte 300 befindlichen Messdetektor 204 zu lenken. Dadurch ist es möglich, den Abgassensor 102 mit einem besonders kompakten optischen Freistrahlaufbau zu realisieren.
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Optional ist die Trägerplatte 300 mittels eines geeigneten Temperierelements 302 temperierbar, also beheizbar oder kühlbar. Je nach Ausführungsbeispiel kann das Heizelement 302 ausgebildet sein, um eine Temperatur der Trägerplatte 300 zu erhöhen oder zu verringern. Hierzu ist die Trägerplatte 300 beispielsweise aus Metall oder einem anderen wärmeleitfähigen Material gefertigt.
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Die Lichtquelle 200 und die Detektoren 204, 206 sind beispielsweise auf einem gemeinsamen, thermisch gut leitfähigen Metallblock als Trägerplatte 300 angeordnet. Hierbei ist die Trägerplatte 300 optional mithilfe eines Peltier-Elements als Heizelement 302 temperierbar. Dadurch kann eine stabile Funktion der auf der Trägerplatte 300 befindlichen Bauelemente gewährleistet werden.
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Die Trägerplatte 300 kann thermisch von der Messkammer 208 am Abgasrohr entkoppelt sein. Eine entsprechende Verbindung zwischen Trägerplatte 300 und Messkammer 208 ist beispielsweise keramisch ausgeführt. Zur Abschirmung der Wärmestrahlung kommt gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel ein zusätzliches Schutzblech zum Einsatz. Die Messkammer 208 ist etwa aus einem Rohr mit porösen Wänden gefertigt, in das Gas gelangen kann. Hierbei werden Verunreinigungen wie beispielsweise Ruß aus dem Gas herausgefiltert.
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Gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Lichtquelle 200 und die Detektoren 204, 206 in einer Ebene aufgebaut. Der Strahlteiler 214 ist hierbei beispielsweise nahezu parallel zu dieser Ebene ausgerichtet, um einen Teil des Lichts zurück auf den Referenzdetektor 206 zu werfen. Hierbei fokussiert das Reflexionselement 212, beispielsweise ein Hohlspiegel, den Rest des Lichts auf den Messdetektor 204. Eine derart kompakte Implementierung bietet den Vorteil, dass die thermisch relevante Masse zur thermischen Stabilisierung der Lichtquelle 200 sowie der Detektoren 204, 206 auf ein Minimum reduziert werden kann, wodurch die Ansprechzeit und die vom Heizelement 302 aufgenommene Leistung optimiert werden können. Zusätzlich können die Lichtquelle 200 und Detektoren 204, 206 über die planare Anordnung auf eine Platine aufgebracht werden. Dies reduziert den Aufwand bei der Fertigung und den nötigen Materialeinsatz.
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Als Detektoren werden beispielsweise Silizium-Fotodioden eingesetzt. Dabei werden zumindest zwei Detektoren verwendet. Alternativ sind die Detektoren als Detektorarray realisiert. Um die Lichteffizienz zu steigern und Quereinflüsse zu reduzieren, können die einzelnen Detektoren zusätzlich mit Mikrolinsen, etwa aus Quarzglas oder Silikon, ausgestattet sein.
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Der Strahlteiler 214 ist beispielsweise als Breitbandstrahlteiler oder Polka-dot-Strahlteiler realisiert. Je nach Ausführungsbeispiel kann der Strahlteiler 214 oder das Reflexionselement 212 als Freiformfläche ausgelegt sein, wodurch eine optimale Fokussierung des Lichts auf die Detektoren 204, 206 ermöglicht wird.
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Um die räumliche Homogenisierung der eingesetzten Wellenlängen zu verbessern, weist der Abgassensor 102 optional weitere optische Komponenten wie etwa getaperte oder nicht getaperte Lichtwellenleiter auf. Diese sind beispielsweise aus Quarzglas oder Silikon hergestellt und zwischen Lichtquelle und Linse angeordnet. Alternativ können Diffusoren zur Homogenisierung verwendet werden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines vorangehend anhand der 1 bis 3 beschriebenen Abgassensors 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. An den Abgassensor 102 ist das Steuergerät 110 angeschlossen. Das Steuergerät 110 ist ausgebildet, um ein Aktivierungssignal 400 zum Aktivieren der Lichtquelle 200 an den Abgassensor 102 zu senden. Der Referenzdetektor 206 ist ausgebildet, um beim Auftreffen des ersten Strahlenanteils auf den Referenzdetektor 206 ein eine Intensität des ersten Strahlenanteils repräsentierendes Referenzsignal 402 bereitzustellen und an das Steuergerät 110 zu übertragen. In analoger Weise ist der Messdetektor 204 ausgebildet, um beim Auftreffen des zweiten Strahlenanteils auf den Messdetektor 204 ein eine Intensität des zweiten Strahlenanteils repräsentierendes Messsignal 404 bereitzustellen und an das Steuergerät 110 zu senden. Das Steuergerät 110 ist ausgebildet, um unter Verwendung der beiden Signale 402, 404 eine Konzentration eines oder mehrerer Gase in dem Abgasstrom, in dem die Messkammer des Abgassensors 102 angeordnet ist, zu bestimmen.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Betreiben eines Abgassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 500 kann beispielsweise im Zusammenhang mit einem vorangehend anhand der 1 bis 4 beschriebenen Abgassensor durchgeführt werden. Hierbei wird in einem Schritt 510 die Lichtquelle aktiviert, um den Lichtstrahl auszusenden. In einem weiteren Schritt 520 wird zum einen ein Referenzsignal eingelesen, das ein beim Auftreffen des ersten Strahlenanteils des Lichtstrahls auf den Referenzdetektor vom Referenzdetektor bereitgestelltes Signal repräsentiert. Zum anderen wird im Schritt 520 ein Messsignal eingelesen, das ein beim Auftreffen des zweiten Strahlenanteils des Lichtstrahls auf den Messdetektor vom Messdetektor bereitgestelltes Signal repräsentiert. Schließlich wird in einem Schritt 530 unter Verwendung des Referenzsignals und des Messsignals eine Abgaskonzentration in dem Abgasstrom, in dem sich die Messkammer des Abgassensors befindet, bestimmt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Verfahren 500 zur Vermessung verschiedener Gase wiederholt durchgeführt. Dabei wird jede Durchführung des Verfahrens mit einer dem zu vermessenden Gas zugeordneten Lichtquelle durchgeführt. Beispielsweise werden für die nacheinander ausgeführten Wiederholungen des Verfahrens 500 unterschiedliche Leuchtdioden verwendet.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
