DE102016108544A1

DE102016108544A1 - Messeinrichtung und Verfahren zur Erfassung unterschiedlicher Gase und Gaskonzentrationen

Info

Publication number: DE102016108544A1
Application number: DE102016108544.8A
Authority: DE
Inventors: Marco Schossig; Volkmar Norkus; Tobias Ott
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Lnfrasolid De GmbH
Priority date: 2016-05-09
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2017-11-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Erfassung unterschiedlicher Gase und Gaskonzentrationen umfassend eine Infrarotstrahlungsquelle, einen einen optischen Pfad aufweisenden Messkanal, sowie entlang des Messkanals angeordnete Strahlungsdetektoren, sowie ein Verfahren, welches die Messeinrichtung nutzt. Die Aufgabe eine optische Messeinrichtung mit einer deutlich verbesserten Nachweisgrenze bereitzustellen, die kompakt und einfach aufgebaut sowie kostengünstig herstellbar ist, wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass der optische Pfad mindestens einen Umlenkpunkt aufweist, wobei an einem ersten Umlenkpunkt ein erstes Bandpass-Interferenzfilter und dem Bandpass-Interferenzfilter ein erster Strahlungsdetektor nachgeordnet angeordnet ist. Die Aufgabe wird mit einem Verfahren, das folgende Schritte aufweist, gelöst: Einleiten einer Messstrahlung in einen das zu messende Gas enthaltenen Messkanal, Auftreffen der Messstrahlung auf ein an einem ersten Umlenkpunkt angeordnetes erstes Bandpass-Interferenzfilter, wobei nur Strahlung einer durch das erste Bandpass-Interferenzfilter vorgegebenen Wellenlänge auf einen dem Bandpass-Interferenzfilter nachgeordneten Strahlungsdetektor trifft, Weiterleitung der am Bandpass-Interferenzfilter reflektierten Strahlung entlang des optischen Pfades im Messkanal auf einen zweiten Strahlungsdetektor und Auswertung der mit den Strahlungsdetektoren gemessenen Gaskonzentrationen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Erfassung unterschiedlicher Gase und Gaskonzentrationen, welche eine Infrarotstrahlungsquelle, einen einen optischen Pfad aufweisenden Messkanal sowie entlang des Messkanals angeordnete Strahlungsdetektoren umfasst.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Messung von Gasen und Gaskonzentrationen, welches die erfindungsgemäße Messeinrichtung nutzt.
Es gibt zwei grundlegende Arten von Gassensoren:
wechselwirkende und nicht-wechselwirkende Gassensoren. Bei ersteren muss ein Gas physikalisch oder chemisch mit einem Sensorelement wechselwirken. Dabei kommt das Gas mit einer oder mehreren Komponenten, z. B. Elektroden, Elektrolyten oder Sensoroberflächen des Gassensors über z.B. Oxidation, Reduktion oder physikalische Adsorption in Kontakt. Diese Wechselwirkungen führen zwangsläufig zu einer Veränderung des Gassensors, d.h. einer Veränderung von Sensorparametern in Abhängigkeit von der wechselwirkenden Komponente des Sensors, z.B. Veränderung des mit dem Gas in Wechselwirkung stehenden Elektrolyten, wodurch eine regelmäßige Kalibrierung und letztlich der Austausch des Gassensors notwendig werden. Die am häufigsten eingesetzten wechselwirkenden Gassensoren sind z.B. elektrochemische Sensoren, Festkörpersensoren und katalytische Sensoren.
Nicht-wechselwirkende, auch als wechselwirkungsfrei bezeichnete Gassensoren sind optische Gassensoren. Hierbei kommt nur elektromagnetische Strahlung mit dem Gas in Kontakt bzw. tritt mit diesem in Wechselwirkung, wobei ein Teil der Strahlung von den Gasmolekülen absorbiert wird und die Gasmoleküle ihren Anregungszustand daraufhin ändern. Durch Kollisionen mit anderen Gasmolekülen oder der Probenkammer kehren die angeregten Gasmoleküle jedoch umgehend in ihren Grundzustand zurück, so dass sich der Zustand des Gases weder physikalisch noch chemisch ändert. Die Wellenlänge λ der elektromagnetischen Strahlung reicht dabei vom ultravioletten bis in den fernen infraroten Spektralbereich (λ = 0,2 µm bis 20 µm). Dabei sind Nicht-Dispersive-Infrarot-(NDIR-)Gassensoren die am meisten genutzten wechselwirkungsfreien Gassensoren. Neben dem einfachen Aufbau zeichnen sie sich vor allem durch eine hohe Messauflösung, eine lange Lebensdauer und gute Langzeitstabilität aus. Das Verfahren nutzt die Anregung von Energiezuständen in Molekülen, d. h. die Schwingungsanregung von Molekülbindungen, durch Infrarotstrahlung. Bei diesen molekülspezifischen Rotations- und Schwingungsfrequenzen wird infrarote Strahlung absorbiert. Aufgrund des individuellen molekularen Aufbaus besitzt jedes Molekül sehr spezifische Absorptionsbanden im infraroten Spektralbereich, wodurch es eindeutig identifiziert werden kann. Dabei ist der infrarote Spektralbereich λ = (2 ... 20) µm von technischem Interesse, weil in diesem Spektralbereich die charakteristischen Absorptionsbanden vieler Verbindungen liegen.
Der erste praktisch einsetzbare NDIR-Gassensor wurde 1938 entwickelt und ist in der Patentschrift DE730478 beschrieben. Bei diesem Aufbau wird die von zwei Strahlungsquellen ausgehende Strahlung durch ein motorgetriebenes Blendenrad periodisch unterbrochen und in zwei voneinander getrennte Rohre geführt. In dem einen Rohr befindet sich das zu messende Gas bzw. Gasgemisch und in dem anderen Rohr ein Referenzgas. Danach tritt die Strahlung in zwei Messkammern ein, welche als Empfängerschicht das Gas enthalten, das detektiert werden soll. Diese beiden Messkammern sind durch eine dünne Membran gasdicht voneinander getrennt. Gasdicht bedeutet, dass kein Gas zwischen den Kammern ausgetauscht wird. Die Membran bildet mit einer isoliert angeordneten Gegenplatte einen elektrischen Kondensator, dessen Kapazität mit einem Messinstrument ablesbar ist. Die Absorption der Infrarotstrahlung durch das Gas wird folglich als Druckdifferenz mittels eines sehr sensitiven Mikrofons detektiert. Wesentliche Nachteile dieses als photoakustische Gasmesszelle bekannten NDIR-Gassensors sind seine Baugröße und die mechanische Anfälligkeit gegenüber Vibrationen und Stößen.
Mit der Entwicklung von nicht-dispersiven, sehr schmalbandigen optischen Filtern stand schließlich eine Technologie zur Verfügung, die deutlich kleinere und robustere NDIR-Gasmessgeräte ermöglichte. Diese sogenannten Interferenzfilter nutzen den Effekt der Interferenz, um elektromagnetische Strahlung frequenz- bzw. wellenlängenabhängig zu filtern. Bei einer Ausführung als Bandpassfilter wird ein bestimmtes Wellenlängenband transmittiert, während kürzere und längere Wellenlängen reflektiert oder absorbiert werden. Das Transmissionsmaximum ist als die Zentrums-Wellenlänge (ZWL) des Bandpassfilters definiert. Die Bandbreite des Filters wird mit der Halbwertsbreite (FWHM – Full Width at Half Maximum) angegeben, d.h. die Differenz zwischen den beiden Argumentwerten, für die die Funktionswerte auf die Hälfte des Maximums abgesunken sind. Das Transmissionsspektrum des Bandpass-Interferenzfilters wird schließlich so gewählt, dass es einer charakteristischen Absorptionsbande des zu messenden Gases entspricht. Die Absorption der Infrarotstrahlung durch das Messgas wird dabei mit einem sehr sensitiven Strahlungsdetektor gemessen, der hinter dem Bandpass-Interferenzfilter angeordnet ist.
Die durch das Gas bewirkte Strahlungsschwächung aufgrund von Strahlungsabsorption ist schließlich ein Maß für die Gaskonzentration. Die Strahlungsintensität I_M der Messwellenlänge verändert sich dabei in Abhängigkeit von der Gaskonzentration c nach dem Lambert-Beerschen-Gesetz: I_M = I₀·e^α·c·l wobei α den gasspezifischen Absorptionskoeffizienten, l die Absorptionsweglänge und I₀ die Grundintensität der Strahlung, d. h. bei Abwesenheit des Messgases (c = 0), bezeichnen.
Ein einfacher NDIR-Gassensor besteht folglich aus einer Infrarotstrahlungsquelle, einer Messkammer (Küvette), in der sich das zu messenden Gas oder Gasgemisch befindet, sowie einem Infrarotdetektor mit Bandpass-Interferenzfilter, dessen Transmissionsspektrum der Absorptionsbande des zu messenden Gases entspricht (1). Diese Komponenten sind entlang einer optischen Achse montiert. Ein solcher Aufbau wird beispielsweise in den Druckschriften DE10221708B4 und DE10013374A1 beschrieben. Als Infrarotstrahlungsquelle wird in der Regel ein elektrisch modulierbarer thermischer Strahler verwendet, der aufgrund seiner Temperatur elektromagnetische Strahlung mit einem kontinuierlichen Spektrum aussendet, in dem alle Wellenlängen des technisch interessanten Spektralbereichs λ = (2 ... 20) µm enthalten sind. Als Infrarotdetektor steht eine breite Palette mit ausreichendem Signal-Rausch-Abstand und geringem Preis zur Verfügung, z. B. Thermopile-Sensoren und pyroelektrische Detektoren.
Moderne NDIR-Gassensoren, wie sie beispielsweise aus den Schriften DE 10 2008 005 572 B4 , DE 20 2005 010 475 U1 , DE 102 21 708 B4 und DE 296 02 282 U1 bekannt sind, werden meist nach dem sogenannten Zweifrequenzverfahren betrieben (2). Dabei wird neben der Messung bei einer auf das Messgas abgestimmten Messwellenlänge zusätzlich bei einer zweiten Wellenlänge, der sogenannten Referenzwellenlänge, gemessen, die in einem Spektralbereich liegt, in dem keine Absorption durch andere im Gasgemisch oder in der Umgebung vorhandene Gase stattfindet. Dazu sind zwei im Strahlengang angeordnete Infrarotdetektoren mit unterschiedlichen Bandpass-Interferenzfiltern notwendig. Mittels Quotientenbildung der beiden Detektorsignale wird dabei eine wesentliche Stabilitätsverbesserung erreicht, wodurch beispielsweise Signaländerungen aufgrund von Intensitätsdriften der Strahlungsquelle oder Schmutzablagerung in der Messkammer kompensiert werden können. Nachteilig ist allerdings die notwendige Aufteilung des von der Strahlungsquelle emittierten Strahlungsflusses auf die beiden Infrarotdetektoren, wodurch die Strahlungsintensität am Infrarotdetektor und damit die Nachweisgrenze des Gassensors verringert werden. 2 zeigt das Zweifrequenzverfahren nach dem Stand der Technik und die notwendige Aufteilung der von der Strahlungsquelle S emittierten Strahlung auf die Detektoren D1 und D2.
Mit den oben genannten Messverfahren und dazu geeigneten Messvorrichtungen kann allerdings nur ein Gas gemessen werden. In vielen gasanalytischen Anwendungen, z.B. bei einer Abgas-, Rauchgas- oder Anästhesiegasmessung, ist es aber notwendig, mehrere Gase simultan zu erfassen und deren Konzentrationen im Gasgemisch zu bestimmen.
In der US 2012/0235038 A1 wird ein sogenannter Multispektraldetektor für NDIR-Gassensoren vorgestellt, der eine Vielzahl an Detektorelementen mit Bandpass-Interferenzfilter besitzt. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau des Gassensors entsprechend dem oben beschriebenen Zweifrequenzverfahren für eine gleichzeitige Messung mehrerer Gase. Ähnliche Anordnungen sind auch aus den Schriften DE 34 06 175 A1 , DE 41 33 481 A1 und DE 101 40 998 C2 bekannt. Wesentliche Nachteile derartiger NDIR-Gassensoren mit Multispektraldetektor sind eine konstante Absorptionsweg- bzw. Küvettenlänge für alle Spektralkanäle und die Verteilung der Strahlungsintensität auf die einzelnen Detektorelemente. So stehen beispielsweise bei einem 4-Kanaldetektor im Idealfall nur 25 % der einfallenden Strahlungsintensität pro Detektorelement zur Signalerzeugung zur Verfügung. In der Realität sind es meist weniger als 10 %. Folglich wird die Nachweisgrenze des Gassensors bei allen zu messenden Gasen stark verringert.
Eine konstante Absorptionsweglänge für alle Spektralkanäle begrenzt zum einen den Messbereich und zum anderen die Nachweisgrenze des Gassensors. Das ergibt sich daraus, dass erstens jedes Gas einen gasspezifischen Absorptionskoeffizienten besitzt, zweitens Gase meist in unterschiedlichen Konzentrationen in einem Gasgemisch vorliegen und drittens Gase eine unterschiedliche Toxizität besitzen, weshalb unterschiedliche Grenzwerte gelten, die wiederum unterschiedliche Messauflösungen erfordern. So liegen beispielsweise die im Rauchgas einer Ölfeuerung enthaltenen Atemgifte Kohlenstoffdioxid (CO₂), Schwefeldioxid (SO₂), Stickstoffmonoxid (NO) und Kohlenstoffmonoxid (CO) in folgenden Konzentrationen vor:

– (125000 ... 140000) ppm CO₂,
– (180 ... 220) ppm SO₂,
– (80 ... 150) ppm CO und
– (50 ... 100) ppm NO.

Die maximalen Arbeitsplatzkonzentrationen (MAK-Werte) dieser Rauchgasbestandteile können den technischen Regeln für Gefahrstoffe (TRGS 900) entnommen werden und betragen:

– 5000 ppm für CO₂,
– 0,5 ppm für SO₂,
– 25 ppm für NO und
– 30 ppm für CO.

Folglich ist die durch das Gas nach dem Lambert-Beerschen-Gesetz bewirkte Strahlungsschwächung aufgrund von Strahlungsabsorption für jedes Gas individuell und deshalb eine individuelle Absorptionsweglänge sinnvoll, damit eine genaue Konzentrationsbestimmung erfolgen kann. Andernfalls muss immer ein Kompromiss hinsichtlich Messbereich und Messauflösung eingegangen werden.
In der DE19604167A1 wird eine Gassensoreinrichtung zur Erfassung der Gaskonzentrationen in einem komplexen Gasgemisch vorgeschlagen, bei der die einzelnen Strahlungsdetektoren rotationssymmetrisch um eine Strahlungsquelle angeordnet sind, wobei die Entfernung zur Strahlungsquelle und damit die Absorptionsweglänge variieren kann. Wesentlicher Nachteil dieser Anordnung bleibt die Aufteilung des emittierten Strahlungsflusses auf eine Vielzahl an Strahlungsdetektoren, wodurch nur ein sehr geringer Bruchteil der Strahlungsintensität an den Detektoren ankommt und die Nachweisgrenze der Gassensoreinrichtung stark verringert wird. Gleiches gilt für die in US5222389A beschriebene Anordnung, bei der zur Realisierung unterschiedlicher Absorptionsweglängen die einzelnen Strahlungsdetektoren entlang der Messkammer angeordnet sind. Jedoch ist auch dort ein wesentlicher Nachteil, dass stets nur ein Bruchteil der Messstrahlung auf die Detektoren trifft, der zudem abhängig von der jeweiligen Reflexion an der Messkammerwand ist.
Aus der KR 1020100052691 A ist weiterhin ein NDIR-Gassensor mit nur einem Strahlungsdetektor bekannt, bei dem die Wahl der Messwellenlänge durch ein Filterrad erfolgt. Dieses Filterrad kann entsprechend der zu messenden Gase mit passenden Bandpass-Interferenzfiltern bestückt werden, wodurch sich mit einem einfachen Aufbau eine Vielzahl an Gasen identifizieren lassen. Dies kann aber nur sequentiell erfolgen. Eine gleichzeitige Erfassung der Konzentration von unterschiedlichen Gasen in einem Gasgemisch ist nicht möglich. Zudem ist die Absorptionsweglänge für jedes Gas gleich und die Anordnung lässt sich nur schlecht miniaturisieren.
Für eine Verbesserung der Nachweisgrenze von optischen Gassensoren ist es erforderlich, möglichst hohe Strahlungsintensitäten auf den Strahlungsdetektor zu fokussieren. Weiterhin ist für jedes Messgas eine individuelle Absorptionsweglänge bereitzustellen, damit eine optimale Bestimmung der einzelnen Gaskonzentrationen in einem komplexen Gasgemisch erfolgen und die Baugröße des Gassensors minimal gehalten werden kann. Für viele Anwendungen ist zudem eine gleichzeitige Bestimmung der Komponenten in einem Gasgemisch erforderlich.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Messeinrichtung mit einer deutlich verbesserten Nachweisgrenze bereitzustellen, die kompakt und einfach aufgebaut sowie kostengünstig herstellbar ist. Die Messeinrichtung soll ohne Strahlungsintensitätsverluste auskommen und eine individuell einstellbare Absorptionsweglänge für unterschiedliche gasspezifische Absorptionskoeffizienten und Gaskonzentrationen aufweisen, wobei eine gleichzeitige Bestimmung der Konzentration von unterschiedlichen Gasen in einem Gasgemisch möglich sein soll.
Die Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass der optische Pfad mindestens einen Umlenkpunkt aufweist, wobei an einem ersten Umlenkpunkt ein erstes Bandpass-Interferenzfilter und dem Bandpass-Interferenzfilter ein erster Strahlungsdetektor nachgeordnet angeordnet ist. An dem Umlenkpunkt im optischen Pfad trifft die Messstrahlung auf einen ersten Bandpass-Interferenzfilter, wobei nur Strahlung einer durch das erste Bandpass-Interferenzfilter vorgegebenen Wellenlänge auf einen dem Bandpass-Interferenzfilter nachgeordneten Strahlungsdetektor trifft, d.h. nur ein bestimmtes Wellenlängenband wird durch das Filter transmittiert, während kürzere und längere Wellenlängen reflektiert werden. Das Transmissionsmaximum ist als die Zentrums-Wellenlänge des Bandpassfilters (ZWL) definiert. Das Transmissionsspektrum des Bandpass-Interferenzfilters wird dabei so gewählt, dass es einer charakteristischen Absorptionsbande des zu messenden Gases entspricht. Die Absorption der Infrarotstrahlung durch das Messgas wird dabei mit einem sehr sensitiven Strahlungsdetektor gemessen, der hinter dem Bandpass-Interferenzfilter angeordnet ist. Die am Filter reflektierte Strahlung wird ab dem Umlenkpunkt im Messkanal weitergeleitet, bis sie auf den nächsten Umlenkpunkt trifft. Damit wird ebenfalls gewährleistet, dass keinerlei Strahlungsteiler in der Messeinrichtung erforderlich ist, um die Strahlung auf mehrere Strahlungsdetektoren zu leiten. Ein Strahlungsteiler teilt die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlungsleistung wellenlängenunabhängig in zwei Anteile auf und reduziert entsprechend die Strahlungsintensität (3). Das hat den besonderen Vorteil, dass die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle nicht wie im Stand der Technik auf verschiedene Detektoren aufgeteilt werden muss, sondern auf jeden Strahlungsdetektor die maximale Strahlungsintensität trifft. Damit wird eine wesentlich verbesserte Auflösung erreicht, weil das Signal am Detektor größer ist.
Der optische Pfad von der Strahlungsquelle bis zum ersten Umlenkpunkt weist eine Absorptionsweglänge L₁ auf. Die Absorptionsweglänge L ist entsprechend dem nachzuweisenden Gas auszubilden. Diese Notwendigkeit ergibt sich daraus, dass jedes Gas einen gasspezifischen Absorptionskoeffizienten besitzt und Gase meist in unterschiedlichen Konzentrationen in einem Gasgemisch vorliegen. Zudem ist aufgrund von z.B. einer gasspezifischen Toxizität eine gasspezifische Messauflösung notwendig. Folglich ist für jedes Gas eine individuelle Absorptionsweglänge bzw. Messkanallänge erforderlich, damit die Messeinrichtung auf die erforderlichen Messauflösungen und Messbereiche der zu messenden Gase abgestimmt werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung weist der optische Pfad der Messeinrichtung N Umlenkpunkte auf, wobei von der Strahlungsquelle bis zum Nten Umlenkpunkt der optische Pfad eine Absorptionsweglänge L_N aufweist, wobei N eine natürliche Zahl größer 1 ist. D.h. durch die Anzahl der Umlenkpunkte kann die Absorptionsweglänge des optischen Pfades, also die Länge des Messkanals individuell eingestellt werden, so dass unterschiedliche Gase mit unterschiedlichen Absorptionsweglängen zeitgleich gemessen werden können.
Weiterhin weist das Bandpass-Interferenzfilter eine optische Achse auf, wobei der optische Pfad und die optische Achse eines Nten Bandpass-Interferenzfilters F_N einen Winkel φ_N einschließen. Durch den Winkel φ ist zum einen eine kompakte Bauweise der Messeinrichtung möglich und zum anderen wird die am Bandpass-Interferenzfilter F_N reflektierte Messstrahlung vollständig auf das im Messkanal nachfolgende Filter F_N+1 geleitet. Damit ist garantiert, dass auf jeden Detektor die maximale Strahlungsintensität trifft. Der Winkel φ hat eine Größe von 0° bis kleiner 90°, vorzugsweise eine Größe kleiner 50°, noch bevorzugter in einem Bereich von 30° bis 50°. Der Winkel kann für jeden Umlenkpunkt N individuell eingestellt werden.
Für eine optimierte Strahlungsdetektion am Strahlungsdetektor kann zwischen dem Bandpass-Interferenzfilter und dem Strahlungsdetektor ein Strahlungskonzentrator angeordnet werden. Dieser Strahlungskonzentrator stellt eine Art Kollimator dar und ist derart ausgebildet, dass die durch das Filter transmittierte Strahlung möglichst vollständig auf den Strahlungsdetektor geleitet wird.
Um die Absorptionsweglänge weiter variabel einstellbar auszuführen, ist an dem Umlenkpunkt ein optischer Spiegel zur Verlängerung des optischen Pfades, d.h. der Absorptionsweglänge, anordbar. Damit lässt sich die Weglänge der Messstrahlung durch die Anordnung von Spiegeln an den Umlenkpunkten in dem Messkanal variabel auf L = L₁ + L₂ + ... + L_N verlängern, je nachdem welche Absorptionsweglänge L für das zu detektierende Gas erforderlich ist.
Weiterhin ist an einem Umlenkpunkt ein Referenzdetektor anordbar. Das hat den Vorteil, dass damit beispielsweise Änderungen in der Intensität der Strahlungsquelle oder Verunreinigungen im Messkanal überwacht werden können. Beispielsweise erfolgt bei ca. 4µm Wellenlänge keine Absorption durch Gase. Diese Wellenlänge kann von einem Referenzdetektor genutzt werden, um Veränderungen in der Messeinrichtung, die nicht durch das zu untersuchende Gas bewirkt werden, zu detektieren. Aufgrund von Änderungen der detektierten Signale durch die Strahlungsdetektoren und einen Referenzdetektor kann ermittelt werden, inwiefern sich Änderungen beispielsweise durch Alterung oder einer Drift der Strahlungsquelle oder aufgrund von Ablagerungen z.B. an den optischen Spiegeln durch das zu messende Gas im Messkanal hervorgerufen werden. Durch die synchron zur Gaskonzentrationsmessung erfolgende Referenzmessung wird die Langzeitstabilität der Gaskonzentrations- bzw. Gasmessung verbessert und der Wartungsaufwand für den Gassensor verringert, da weniger oft kalibriert werden muss.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Messeinrichtung modular aufgebaut und der optische Pfad modular verlängerbar ist. Modular bedeutet, dass die Messeinrichtung um eine optische Weglänge L und einen Umlenkpunkt mit einem an diesem Umlenkpunkt befindlichen Bandpass-Interferenzfilter und einem Detektor, aber auch wahlweise einen im Umlenkpunkt angeordneten Spiegel, erweiterbar ist, bis beispielsweise eine gewünschte Absorptionsweglänge erreicht wird. Diese Spiegel können z.B. eine planare, konkave oder konvexe Oberfläche besitzen.
Weiterhin kann der optische Pfad gekrümmt und beispielsweise schraubenförmig ausgebildet sein. Damit lässt sich die Bauweise der erfindungsgemäßen Messeinrichtung sehr kompakt gestalten, indem an definierten Stellen des Messpfades Strahlungsdetektoren angeordnet werden, um verschiedene Absorptionsweglängen für zu detektierende Gase einzustellen.
Vorteilhaft ist die Ausgestaltung des Messkanals mit einer nahezu ideal reflektierenden Schicht. Dafür eignen sich insbesondere vergoldete und verchromte Oberflächen sowie spiegelnde Oberflächen aus Aluminium oder Edelstahl.
Für eine kompakte Bauweise kann die Messeinrichtung mit den Detektoren, dem Messkanal, den Bandpass-Interferenzfiltern, den Konzentratoren und den Spiegeln sowie Referenzdetektoren auf einer Leiterplatte integriert angeordnet sein. Die Strahlungsquelle und die Detektoren sind dabei so angeordnet, dass eine möglichst platzsparende und kompakte Anordnung realisiert werden kann. Der Messkanal ist auf der Leiterplatte ausgebildet, z.B. auf der Leiterplatte integriert. Um die Messstrahlung der Strahlungsquelle in den Messkanal zu leiten, wird ein Spiegel zur Umlenkung der Messstrahlung in den Messkanal benutzt. Gleiches gilt für die Strahlumlenkung der Messstrahlung auf die Detektoren an den Umlenkpunkten entlang des optischen Pfades innerhalb des Messkanals. Dafür ist hinter dem Bandpass-Interferenzfilter auf den die Messstrahlung zunächst trifft, ein Spiegel o.ä. zur Strahlumlenkung angeordnet, der den transmittierten Strahlungsanteil auf den auf der Leiterplatte angeordneten Detektor lenkt. Damit ist eine wesentlich kompaktere Bauweise realisierbar, da durch die vertikale Integration der Komponenten der Messeinrichtung die horizontale Ausdehnung verringert werden kann, weil beispielsweise die Strahlungsquelle und die Detektoren nicht in einer Ebene mit dem Messkanal angeordnet sein müssen. Der am Bandpass-Interferenzfilter reflektierte Teil der Messstrahlung wird weiter entlang des optischen Pfades durch den Messkanal geleitet, bis die Messstrahlung auf ein weiteres Bandpass-Interferenzfilter trifft.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass eine Messstrahlung in einen das zu messende Gas oder Gasgemisch enthaltenen Messkanal durch die Infrarotstrahlungsquelle eingeleitet wird, die Messstrahlung auf ein an einem ersten Umlenkpunkt angeordnetes erstes Bandpass-Interferenzfilter trifft, wobei nur Strahlung einer durch das erste Bandpass-Interferenzfilter vorgegebenen Wellenlänge auf einen dem Bandpass-Interferenzfilter nachgeordneten Strahlungsdetektor trifft, der am Bandpass-Interferenzfilter reflektierte Anteil der Strahlung entlang des optischen Pfades im Messkanal auf einen zweiten Strahlungsdetektor und/oder Spiegel geleitet wird, wobei anschließend die Auswertung der mit den Strahlungsdetektoren gemessenen Gaskonzentrationen erfolgt. Aufgrund der Ausgestaltung des Messkanals wird die Strahlung der Infrarotstrahlungsquelle direkt auf das Bandpass-Interferenzfilter und den nachgeordneten Strahlungsdetektor geleitet. Durch die Anordnung verschiedener Strahlungsdetektoren in den Umlenkpunkten entlang des optischen Pfades ist die gleichzeitige Messung verschiedener Gase bzw. Gaskomponenten eines zu untersuchenden Gasgemisches möglich.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 Schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus eines einfachen NDIR-Gassensors nach dem Stand der Technik;
2 Schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus eines einfachen NDIR-Gassensors mit Referenzmessung nach dem Stand der Technik;
3 Strahlungsintensität mit und ohne Einsatz eines Strahlteilers;
4 Schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung zur simultanen Messung unterschiedlicher Gase und Gaskonzentrationen;
5 Reflektierte Strahlungsintensität an den sequentiell im Messkanal angeordneten Umlenkpunkten / Bandpass-Interferenzfilter F_N entsprechend den zu detektierenden Gasen;
6 Transmissionskurven der beispielhaft eingesetzten Bandpass-Interferenzfilter für verschiedene Gase;
7 Schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung mit einer Referenzmessung;
8 Schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung mit optischen Konzentratoren, die vor den Detektoren und wahlweise auch vor der Strahlungsquelle angeordnet sind;
9 Schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung mit optischen Spiegeln Sp an ausgewählten Umlenkpunkten N zur Erhöhung der Absorptionsweglänge L;
10 Schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung mit gekrümmtem optischen Pfad, d.h. einem gekrümmten Messkanal, a) Schnittdarstellung, b) perspektivische Darstellung;
11 schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung, wobei die Messeinrichtung mit den Detektoren und dem optischen Pfad auf einer Leiterplatte integriert ausgebildet ist, a) perspektivische Draufsicht, b) Seitenansicht.
4 zeigt schematisch eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung. Über einen Gaseinlass 4 wird das Gas durch laminare Strömung in den Messkanal 1 eingelassen. Der Gaseinlass kann auch als gasdurchlässige Membran ausgebildet sein, wo das Gas von selber in den Messkanal 1 diffundiert. Die IR-Strahlungsquelle S sendet ein Strahlenbündel mit einem kontinuierlichen Spektrum aus, dass in einem Hohlleiter, dem Messkanal 1, in dem sich das Gas bzw. Gasgemisch befindet, entlang eines optischen Pfades 2 geführt wird und nach einer individuell einstellbaren Weglänge L₁ auf ein Bandpass-Interferenzfilter F₁ unter dem Winkel φ₁ trifft. Der Ort des Filters definiert einen ersten Umlenkpunkt 6 der Messstrahlung und lässt nur eine bestimmte Wellenlänge bzw. ein sehr schmales Wellenlängenband der Strahlung hindurch und reflektiert den Rest unter dem Winkel φ`₁ in den Messkanal 1 zurück. Die Transmissionswellenlänge des Filters F₁ entspricht dabei der Absorptionswellenlänge eines zu messenden Gases G1. Die 4, 5 und 6 zeigen an einem Beispiel, die Funktionsweise und Wirkung der Messeinrichtung zur Messung von Gasanteilen in einem zu untersuchenden Gasgemisch, wobei die Gasanteile gleichzeitig an den aufeinanderfolgenden Detektoren D, die an den Umlenkpunkten 6 im Messkanal 1 mit entsprechenden Bandpass-Interferenzfiltern F angeordnet sind, detektiert werden. In 5 sind die an den jeweiligen Umlenkpunkten 6 reflektierten Strahlungsintensitäten dargestellt. Das transmittierte Wellenlängenband wird durch das jeweilige Bandpass-Interferenzfilter definiert. Der durch das erste Bandpass-Interferenzfilter F₁ transmittierte Strahlenanteil wird vom Detektor D₁ detektiert (5a). Der reflektierte Strahlenanteil trifft nach einer Weglänge L₂ auf ein weiteres Bandpass-Interferenzfilter F₂ unter dem Winkel φ₂ (4). An diesem zweiten Umlenkpunkt 6 wird ein weiterer Strahlenanteil eines zu messenden Gases G2 herausgefiltert und vom Detektor D₂ gemessen (5b). Dies kann so fortgeführt werden (5c–e). Aus den 5a–e wird deutlich, dass immer die volle Strahlungsintensität auf die Detektoren D trifft. Die erforderlichen Bandpass-Interferenzfilter F sind entsprechend des zu detektierenden Gasanteils und den erforderlichen Absorptionsweglängen im Messkanal 1 angeordnet. Beispielsweise wird für die Detektion von SO₂ eine größere Weglänge L benötigt als für CO₂. Über einen Gasauslass 5 kann das Gas den Messkanal wieder verlassen. Auch der Gasauslass 5 kann als gasdurchlässige Membran ausgebildet sein, wo das Gas von selber aus dem Messkanal 1 diffundiert.
6 zeigt beispielhaft die Transmissionskurven der eingesetzten Bandpass-Interferenzfilter für verschiedene Gase.
7 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung, wobei an einem beliebigen Umlenkpunkt 6 im Messkanal 1 eine Referenzmessung mit einem Referenzdetektor 9 bei einer Wellenlänge erfolgt, bei der keine Absorption durch andere im Gasgemisch oder in der Umgebung vorhandene Gase stattfindet (z.B. bei 3,95 µm). Mit Hilfe dieser Referenzmessung wird eine wesentliche Stabilitätsverbesserung erreicht, wodurch beispielsweise Signaländerungen aufgrund von Intensitätsdriften der Strahlungsquelle S oder Schmutzablagerungen in der Messkammer kompensiert werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist an der Strahlungsquelle S ein optischer Konzentrator KS oder ein ähnliches optisches Bauelement (z.B. Spiegel, Linse) angeordnet, wodurch die erzeugte Strahlung in den Messkanal 1 fokussiert wird. Dies ist in 8 schematisch dargestellt. Zusätzlich ist hinter jedem Bandpass-Interferenzfilter F₁, F₂, usw. ein optischer Konzentrator K₁, K₂, usw. angeordnet, der alle durch das Filter transmittierte Strahlen auf das Detektorelement D fokussiert, damit ein maximales Detektorsignal erzeugt wird.
In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Messeinrichtung kann zur Erhöhung der Absorptionsweglänge L an einem oder mehreren Umlenkpunkten 6 anstelle eines Bandpass-Interferenzfilters F ein Spiegel Sp angeordnet sein, der die auftreffende Strahlung vollständig reflektiert, so dass die Strahlung auf den nächsten Umlenkpunkt 6 weitergeleitet wird (9).
In einer anderen Variante der erfindungsgemäßen
Messeinrichtung kann der optische Pfad 2 bzw. der Messkanal 1 eine gekrümmte Bahn aufweisen, die zudem dreidimensional, z.B. schraubenförmig, ausgestaltet sein kann, damit eine möglichst große Absorptionsweglänge L in einem kleinen Volumen untergebracht werden kann. Dies ist schematisch in 10a, b dargestellt. An geeigneten Stellen, d.h. an den Umlenkpunkten 6 entlang des gekrümmten optischen Pfades 2 sind Detektoren D gemäß der erfindungsgemäßen Messeinrichtung angeordnet. Durch die gekrümmte Ausgestaltung des optischen Pfades 2 ist eine noch kompaktere Bauweise der Messeinrichtung möglich. Zur Veranschaulichung ist in 10a, b nur jeweils ein Detektor D am Messkanal 1 entlang des optischen Pfades 2, und zwar an einem ersten Umlenkpunkt 6, dargestellt.
11 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung, wobei die Messeinrichtung mit den Detektoren D und dem optischen Pfad 2, d.h. dem Messkanal 1 auf einer Leiterplatte LP integriert ausgebildet ist. Die Strahlungsquelle S und die Detektoren D sind dabei so angeordnet, dass eine möglichst platzsparende und kompakte Anordnung realisiert werden kann. Der optische Pfad 2, d.h. der Messkanal 1 ist auf der Leiterplatte LP ausgebildet. Um die Messstrahlung 3 der Strahlungsquelle S in den Messkanal 1 zu leiten, wird ein Spiegel Sp zur Umlenkung der Messstrahlung 3 in den optischen Pfad 2 benutzt. Gleiches gilt für die Strahlumlenkung der Messstrahlung 3 auf die Detektoren D an den Umlenkpunkten 6 entlang des Messkanals 1. Dafür ist hinter dem Bandpass-Interferenzfilter F, auf den die Messstrahlung zunächst trifft, ein Spiegel Sp o.ä. zur Strahlumlenkung angeordnet, der den transmittierten Strahlungsanteil auf den auf der Leiterplatte LP angeordneten Detektor D lenkt. Damit ist eine wesentlich kompaktere Bauweise realisierbar, da durch die vertikale Integration der Komponenten der Messeinrichtung die horizontale Ausdehnung verringert werden kann. Der am Bandpass-Interferenzfilter F reflektierte Teil der Messstrahlung wird weiter entlang des optischen Pfades 2 durch den Messkanal 1 geleitet, bis die Messstrahlung 3 auf ein weiteres Bandpass-Interferenzfilter F trifft.
Bezugszeichenliste

F: Bandpass-Interferenzfilter, kurz: Filter
F₁, F2, ..., FN: Filter 1, Filter 2, ..., Filter N
G: Gas
G1, G2, ..., GN: Gas 1, Gas 2, ..., Gas N
D: Detektor
D₁, D2, ..., DN: Detektor 1, Detektor 2, ..., Detektor N
S: Strahlungsquelle
L: Absorptionsweglänge
L₁, ..., LN: Absorptionsweglänge 1, ... N
K: Konzentrator
K₁, ..., KN: Konzentrator 1, ..., Konzentrator N
KS: Konzentrator vor der Strahlungsquelle
Sp: Spiegel
Sp1, ..., SpN: Spiegel 1, ..., Spiegel N
LP: Leiterplatte
φ: Einfallswinkel
φ₁, ..., φN: Einfallswinkel am Nten Bandpass-Filter
1: Messkanal
2: Optischer Pfad
3: Ausbreitungsrichtung der Messstrahlung
4: Gaseinlass
5: Gasauslass
6: Umlenkpunkt
8: Optische Achse
9: Referenzdetektor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 730478 [0005]
DE 10221708 B4 [0008, 0009]
DE 10013374 A1 [0008]
DE 102008005572 B4 [0009]
DE 202005010475 U1 [0009]
DE 29602282 U1 [0009]
US 2012/0235038 A1 [0011]
DE 3406175 A1 [0011]
DE 4133481 A1 [0011]
DE 10140998 C2 [0011]
DE 19604167 A1 [0015]
US 5222389 A [0015]
KR 1020100052691 A [0016]

Claims

Messeinrichtung zur Erfassung unterschiedlicher Gase und Gaskonzentrationen umfassend eine Infrarotstrahlungsquelle (S), einen einen optischen Pfad (2) aufweisenden Messkanal (1) sowie entlang des Messkanals (1) angeordnete Strahlungsdetektoren (D), dadurch gekennzeichnet, dass der optische Pfad (2) mindestens einen Umlenkpunkt (6) aufweist, wobei an einem ersten Umlenkpunkt (6) ein erstes Bandpass-Interferenzfilter (F) und dem Bandpass-Interferenzfilter (F) ein erster Strahlungsdetektor (D) nachgeordnet angeordnet ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Pfad (2) von der Strahlungsquelle (S) bis zum ersten Umlenkpunkt (6) eine Absorptionsweglänge L₁ aufweist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optischen Pfad (2) N Umlenkpunkte (6) und von der Strahlungsquelle (S) bis zum Nten Umlenkpunkt eine Absorptionsweglänge L_N aufweist, wobei N eine natürliche Zahl größer 1 ist.
Messeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Pfad (2) gekrümmt, insbesondere schraubenförmig ausgebildet ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandpass-Interferenzfilter (F) eine optische Achse (8) aufweist, wobei der optische Pfad (2) und die optischen Achse (8) eines Nten Bandpass-Interferenzfilters (F) einen Winkel φ_N einschließen.
Messeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel φ_N eine Größe von 0° bis kleiner 90°, vorzugsweise eine Größe kleiner 50°, noch bevorzugter eine Größe im Bereich 30° bis kleiner 50° aufweist.
Messeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bandpass-Interferenzfilter (F) und dem nachgeordneten Strahlungsdetektor (D) ein optischer Konzentrator (K) angeordnet ist.
Messeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Umlenkpunkt (6) ein optischer Spiegel (Sp) zur Verlängerung des optischen Pfades (2) anordbar ist, wobei der Spiegel (Sp) eine planare oder konkave oder konvexe Oberfläche aufweist.
Messeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Umlenkpunkt (6) ein Referenzdetektor (9) anordbar ist.
Messeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung modular aufgebaut und der optische Pfad (2) modular verlängerbar ist.
Verfahren zur Messung von Gasen und Gaskonzentrationen, welches die Messeinrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 nutzt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Einleiten einer Messstrahlung in einen das zu messende Gas oder Gasgemisch enthaltenen Messkanal (1), – Auftreffen der Messstrahlung auf ein an einem ersten Umlenkpunkt (6) angeordnetes erstes Bandpass-Interferenzfilter (F), wobei nur Strahlung einer durch das erste Bandpass-Interferenzfilter (F) vorgegebenen Wellenlänge auf einen dem Bandpass-Interferenzfilter (F) nachgeordneten Strahlungsdetektor (D) trifft, – Weiterleitung der am Bandpass-Interferenzfilter (F) reflektierten Strahlung entlang des optischen Pfades (2) im Messkanal (1) auf einen zweiten Strahlungsdetektor (D) und – Auswertung der mit den Strahlungsdetektoren (D) gemessenen Gaskonzentrationen.