DE102016108545A1 - NDIR gas sensor and method for its calibration - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen NDIR-Gassensor zur Erfassung unterschiedlicher Gase oder Gaskonzentrationen, der eine Infrarotstrahlungsquelle, eine Messkammer mit einem eine Absorptionsweglänge L aufweisenden optischen Pfad, einen Strahlungsdetektor, einen Referenzstrahlungsdetektor, wobei vor dem Strahlungsdetektor ein Strahlungsbandpassfilter mit einem Durchlassbereich und vor dem Referenzstrahlungsdetektor ein Referenzbandpassfilter mit einem Durchlassbereich angeordnet ist, umfasst sowie ein Verfahren zur Kalibrierung eines NDIR-Gassensors. Die Aufgabe einen driftfreien optischen Gassensor bereitzustellen, der spektrale Änderungen im Strahlungsfluss vollständig kompensieren kann, wird dadurch gelöst, dass der Durchlassbereich des Strahlungsbandpassfilters und der Durchlassbereich des Referenzbandpassfilters überlappend ausgebildet sind, wobei das Referenzbandpassfilter oder das Strahlungsbandpassfilter eine größere Bandbreite gegenüber dem jeweils anderen Bandpassfilter aufweist.The invention relates to an NDIR gas sensor for detecting different gases or gas concentrations, comprising an infrared radiation source, a measuring chamber having an optical path having an absorption path length L, a radiation detector, a reference radiation detector, a radiation bandpass filter having a passband in front of the radiation detector and a reference bandpass filter in front of the reference radiation detector with a passband, and a method for calibrating an NDIR gas sensor. The object to provide a drift-free optical gas sensor, which can completely compensate for spectral changes in the radiation flow is achieved in that the passband of the radiation bandpass filter and the passband of the reference bandpass filter are formed overlapping, wherein the reference bandpass filter or the bandpass filter has a larger bandwidth over the other bandpass filter ,

Description

Die Erfindung betrifft einen NDIR-Gassensor zur Erfassung unterschiedlicher Gase oder Gaskonzentrationen, der eine Infrarotstrahlungsquelle, eine Messkammer mit einem eine Absorptionsweglänge L aufweisenden optischen Pfad, einen Strahlungsdetektor, einen Referenzstrahlungsdetektor, wobei vor dem Strahlungsdetektor ein Strahlungsbandpassfilter mit einem Durchlassbereich und vor dem Referenzstrahlungsdetektor ein Referenzbandpassfilter mit einem Durchlassbereich angeordnet ist, umfasst. The invention relates to an NDIR gas sensor for detecting different gases or gas concentrations, comprising an infrared radiation source, a measuring chamber having an optical path having an absorption path length L, a radiation detector, a reference radiation detector, a radiation bandpass filter having a passband in front of the radiation detector and a reference bandpass filter in front of the reference radiation detector is arranged with a passage region comprises.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kalibrierung eines NDIR-Gassensors. The invention also relates to a method for calibrating an NDIR gas sensor.

Nicht-Dispersive-Infrarot-(NDIR-)Gassensoren sind die am meisten genutzten wechselwirkungsfreien Gassensoren. Ein einfacher NDIR-Gassensor besteht 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 eines zu messenden Gases entspricht. Ein solcher Aufbau wird beispielsweise in den Druckschriften DE 102 21 708 B4 , DE 100 13 374 A1 und US 5,691,704 beschrieben. Non-dispersive infrared (NDIR) gas sensors are the most widely used non-interacting gas sensors. A simple NDIR gas sensor consists of an infrared radiation source, a measuring chamber (cuvette) in which the gas or gas mixture to be measured is located, and an infrared detector with bandpass interference filter whose transmission spectrum corresponds to the absorption band of a gas to be measured. Such a structure is for example in the publications DE 102 21 708 B4 . DE 100 13 374 A1 and US 5,691,704 described.

Das Messverfahren 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. Die durch das Gas bewirkte Strahlungsschwächung aufgrund von Strahlungsabsorption ist schließlich ein Maß für die Gaskonzentration. Die Strahlungsintensität IM der Messwellenlänge verändert sich dabei in Abhängigkeit von der Gaskonzentration c nach dem Lambert-Beerschen-Gesetz: IM = I0·eα·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. The measurement method uses the excitation of energy states in molecules, ie the vibration excitation of molecular bonds, by infrared radiation. At these molecule-specific rotation and vibration frequencies, infrared radiation is absorbed. Due to the individual molecular structure of each molecule has very specific absorption bands in the infrared spectral range, which can be clearly identified. Here, the infrared spectral range λ = (2 ... 20) microns of technical interest, because in this spectral range are the characteristic absorption bands of many compounds. The radiation attenuation caused by the gas due to radiation absorption is finally a measure of the gas concentration. The radiation intensity I M of the measurement wavelength changes depending on the gas concentration c according to the Lambert-Beer law: I M = I 0 · e α · c · l where α denotes the gas-specific absorption coefficient, l the absorption path length and I 0 the basic intensity of the radiation, ie in the absence of the measuring gas (c = 0).

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 an Sensoren mit ausreichendem Signal-Rausch-Abstand und geringem Preis zur Verfügung, z.B. Thermopile-Sensoren und pyroelektrische Detektoren. The infrared radiation source used is generally an electrically modulatable thermal emitter which emits electromagnetic radiation with a continuous spectrum due to its temperature, in which all wavelengths of the technically interesting spectral range λ = (2... 20) μm are contained. As an infrared detector, there is a wide range of sensors with sufficient signal-to-noise ratio and low price, e.g. Thermopile sensors and pyroelectric detectors.

Insbesondere eine sehr gute Langzeitstabilität ist bei einer Gasmessung von großer Bedeutung, nicht nur aus Sicherheitsgründen, sondern auch aus Kostengründen, weil dadurch u.a. der Wartungs- und der Kalibrieraufwand verringert werden. NDIR-Gassensoren besitzen im Vergleich zu z.B. elektrochemischen oder katalytischen Gassensoren eine höhere Lebensdauer und bessere Langzeitstabilität, weshalb sie deutlich weniger gewartet und kalibriert werden müssen. Dennoch sind auch NDIR-Gassensoren nicht kalibrier- und wartungsfrei. So treten beispielsweise Drifterscheinungen des Sensorsignals über die Zeit und in Abhängigkeit von Änderungen der Umgebungstemperatur auf. Dieses Problem soll mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden. In particular, a very good long-term stability is of great importance in a gas measurement, not only for safety reasons, but also for cost reasons, because thereby u.a. the maintenance and the calibration costs are reduced. NDIR gas sensors have compared to e.g. Electrochemical or catalytic gas sensors have a longer life and better long-term stability, which is why they require much less maintenance and calibration. Nevertheless, NDIR gas sensors are also not calibrated and maintenance-free. For example, drift phenomena of the sensor signal occur over time and as a function of changes in the ambient temperature. This problem is to be solved with the present invention.

Zur Verbesserung der Langzeitstabilität werden moderne NDIR-Gassensoren, wie sie beispielsweise aus den Schriften DE 10 2008 005 572 B4 , DE 20 2005 010 475 U1 , DE 296 02 282 U1 und US 5,341,214 bekannt sind, meist nach dem sogenannten Zweifrequenzverfahren betrieben. 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 (1). Typischerweise erfolgt diese Referenzmessung bei einer Wellenlänge von ca. 3,95 µm. Dazu sind zwei im Strahlengang angeordnete Infrarotdetektoren D1 und D2 mit unterschiedlichen Bandpass-Interferenzfiltern, kurz Bandpassfilter, notwendig. Mittels Quotientenbildung der beiden Detektorsignale wird gegenüber einer Messung ohne Referenzwellenlänge eine wesentliche Stabilitätsverbesserung erreicht. Somit lassen sich beispielsweise Signaländerungen aufgrund von Intensitätsdriften der Strahlungsquelle oder Schmutzablagerung in der Messkammer teilweise kompensieren. To improve the long-term stability of modern NDIR gas sensors, as for example from the writings DE 10 2008 005 572 B4 . DE 20 2005 010 475 U1 . DE 296 02 282 U1 and US 5,341,214 are known, usually operated by the so-called two-frequency method. In addition to the measurement with a measuring wavelength tuned to the measuring gas, this is additionally measured at a second wavelength, the so-called reference wavelength, which lies in a spectral range in which there is no absorption by other gases present in the gas mixture or in the environment ( 1 ). Typically, this reference measurement is carried out at a wavelength of about 3.95 microns. For this purpose, two infrared detectors D 1 and D 2 arranged in the beam path with different bandpass interference filters, in short bandpass filters, are necessary. By means of quotient formation of the two detector signals, a substantial stability improvement is achieved in comparison with a measurement without reference wavelength. Thus, for example, signal changes due to intensity drifts of the radiation source or dirt deposition in the measuring chamber can be partially compensated.

Nachteil der bekannten Lösung ist, dass die Referenzmessung bei einer anderen Wellenlänge als die Gasmessung erfolgt, wodurch sich spektrale Änderungen im Strahlungsfluss nicht kompensieren lassen. Viele Gase haben ihre Absorptionsbanden im langwelligen Infrarotbereich zwischen 8 µm und 14 µm. Spektrale Änderungen im Strahlungsfluss aufgrund von z.B. Ablagerungen im optischen Messkanal oder auf den eingesetzten Bandpassfiltern sowie Emissionsgradänderungen oder Intensitätsdriften der Strahlungsquelle können mit diesem gängigen Verfahren nicht vollständig kompensiert werden, da sie immer wellenlängenabhängig sind. Disadvantage of the known solution is that the reference measurement is carried out at a different wavelength than the gas measurement, which can not compensate for spectral changes in the radiation flux. Many gases have their absorption bands in the long-wave infrared range between 8 μm and 14 μm. Spectral changes in the radiation flux due to, for example, deposits in the optical measuring channel or on the bandpass filters used as well as emissivity changes or intensity drifts of the radiation source can be used with this common methods are not fully compensated because they are always wavelength dependent.

In der US 8,003,944 B2 und der US 8,143,581 B2 werden alternative Lösungen vorgeschlagen. In beiden Schriften wird eine Messanordnung genutzt, bei der identische spektrale Schmalbandpassfilter sowohl für den Signal- als auch für den Referenzkanal genutzt werden (2). Ein Offset zwischen Mess- und Referenzsignal wird genutzt, um durch Verhältnisbildung Störeinflüsse zu kompensieren. In the US 8,003,944 B2 and the US 8,143,581 B2 alternative solutions are proposed. In both documents, a measuring arrangement is used in which identical spectral narrow-band pass filters are used both for the signal channel and for the reference channel ( 2 ). An offset between measuring and reference signal is used to compensate for disturbances by ratio formation.

In der US 8,143,581 B2 wird die Absorptionsweglänge der Messkammer für den Messkanal im Vergleich zum Referenzkanal verlängert, um diesen Offset zwischen dem Messkanal und dem Referenzkanal zu erzeugen (2a). Damit weisen die optischen Pfade, d.h. die Wegstrecken, die die Strahlung von der Strahlungsquelle bis zum Detektorelement durch die Messkammer zurücklegen muss, für die Strahlungsmessung am Strahlungsdetektor und die Referenzmessung am Referenzstrahlungsdetektor unterschiedliche Längen L1 und L2 auf. Diese unterschiedlichen Absorptionsweglängen in der US 8,143,581 B2 sind unbedingt erforderlich, um den Offset zwischen Messkanal und Referenzkanal zu erzeugen. Wesentlicher Nachteil dieser Anordnung ist der verlängerte Messkanal, der eine kompakte Bauweise verhindert. Der erzeugte Offset ist zudem von der Gaskonzentration in der Messkammer abhängig, wodurch sich Störeinflüsse nicht vollständig kompensieren lassen. In the US 8,143,581 B2 the absorption path length of the measuring chamber for the measuring channel is lengthened compared to the reference channel in order to generate this offset between the measuring channel and the reference channel ( 2a ). Thus, the optical paths, ie the distances that must cover the radiation from the radiation source to the detector element through the measuring chamber, for the radiation measurement at the radiation detector and the reference measurement on the reference radiation detector different lengths L 1 and L 2 . These different absorption path lengths in the US 8,143,581 B2 are absolutely necessary to generate the offset between measuring channel and reference channel. The main disadvantage of this arrangement is the extended measuring channel, which prevents a compact design. The generated offset is also dependent on the gas concentration in the measuring chamber, which can not fully compensate for interference.

In der US 8,003,944 B2 wird hingegen ein Offset zwischen dem Messkanal und dem Referenzkanal derart erzeugt, dass eine Sättigungszelle, die das zu messende Gas enthält, vor dem Referenzdetektor angeordnet wird (2b). Dadurch wird die Strahlung im Referenzkanal zusätzlich geschwächt, so dass das am Referenzstrahlungsdetektor erzeugte Signal um einen definierten Betrag geringer als am Strahlungsdetektor ist. Dieser gaskonzentrationsunabhängige Offset im Messkanal wird aber nur erzeugt, wenn sich in der Sättigungszelle das zu messende Gas befindet. Wesentlicher Nachteil dieser Anordnung stellt die benötigte Sättigungszelle dar, die technisch nur sehr schwierig zu realisieren ist. Das darin enthaltene Gas darf auf keinen Fall entweichen, da sich sonst der Offset verändert und zudem die Gaskonzentration in der Messkammer erhöht. Beides führt zu falschen Messergebnissen. Zudem ist das Transmissionsverhalten der Sättigungszelle temperaturabhängig, was die Kompensation von Störeinflüssen erschwert. In the US 8,003,944 B2 On the other hand, an offset between the measuring channel and the reference channel is generated in such a way that a saturation cell containing the gas to be measured is arranged in front of the reference detector ( 2 B ). As a result, the radiation in the reference channel is additionally weakened, so that the signal generated at the reference radiation detector is smaller by a defined amount than at the radiation detector. However, this gas concentration-independent offset in the measuring channel is only generated if the gas to be measured is in the saturation cell. The main disadvantage of this arrangement is the required saturation cell, which is technically very difficult to implement. The gas contained therein must by no means escape, otherwise the offset will change and the gas concentration in the measuring chamber will increase. Both lead to incorrect measurement results. In addition, the transmission behavior of the saturation cell is temperature-dependent, which makes the compensation of disturbing influences more difficult.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen driftfreien optischen Gassensor bereitzustellen, der spektrale Änderungen im Strahlungsfluss durch z.B. Ablagerungen im optischen Messkanal, Intensitätsdriften und Emissionsgradänderungen der Strahlungsquelle sowie durch Umgebungstemperatureinflüsse vollständig kompensieren kann, wobei die Langzeitstabilität von NDIR-Gassensoren deutlich verbessert und der Wartungs- und Kalibrieraufwand und die damit verbundenen Kosten minimiert werden sollen und eine kompakte Bauweise realisiert werden kann. It is therefore an object of the present invention to provide a drift-free optical gas sensor which can detect spectral changes in the radiant flux, e.g. Deposits in the optical measuring channel, intensity drifts and emissivity changes of the radiation source and by ambient temperature influences can fully compensate, the long-term stability of NDIR gas sensors significantly improved and the maintenance and calibration effort and the associated costs should be minimized and a compact design can be realized.

Die Aufgabe der Erfindung wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass der Durchlassbereich des Strahlungsbandpassfilters und der Durchlassbereich des Referenzbandpassfilters überlappend ausgebildet sind, wobei das Referenzbandpassfilter oder das Strahlungsbandpassfilter eine größere Bandbreite gegenüber dem jeweils anderen Bandpassfilter aufweist. The object of the invention is achieved on the arrangement side in that the passband of the radiation bandpass filter and the passband of the reference bandpass filter are overlapping, wherein the reference bandpass filter or the bandpass filter has a larger bandwidth than the respective other bandpass filter.

Unter der Überlappung des Referenzbandpassfilters und des Strahlungsbandpassfilters wird dabei ein spektraler Bereich verstanden, in dem sich die Durchlassbereiche der beiden Filter teilweise, aber nicht zwangsläufig vollständig, überdecken. Eine Überlappung liegt demnach vor, wenn sich die Bandpässe der verwendeten Filter teilweise überdecken, so dass sich eine gemeinsame Schnittfläche im spektralen Bereich ausbildet. In this case, the overlapping of the reference bandpass filter and the radiation bandpass filter is understood as meaning a spectral range in which the passbands of the two filters partially, but not necessarily, completely overlap. An overlap therefore exists when the bandpass filters of the filters used partially overlap, so that a common interface is formed in the spectral range.

Besonders vorteilhaft ist, wenn das Referenzbandpassfilter oder / und das Strahlungsbandpassfilter mit seinem jeweiligen Durchlassbereich eine Flanke einer Absorptionsbande eines zu detektierenden Gases erfasst. Das bedeutet, dass entweder das Referenzbandpassfilter mit seinem jeweiligen Durchlassbereich eine Flanke einer Absorptionsbande eines zu detektierenden Gases erfasst oder das Strahlungsbandpassfilter mit seinem jeweiligen Durchlassbereich eine Flanke einer Absorptionsbande eines zu detektierenden Gases erfasst. Es ist auch denkbar, dass beide Bandpassfilter, nämlich das Referenzbandpassfilter und das Strahlungsbandpassfilter, eine Flanke einer Absorptionsbande eines zu detektierenden Gases erfassen, jedoch muss gewährleistet sein, das einer der Detektoren einen größeren Spektralbereich detektiert als der jeweils andere Detektor. It is particularly advantageous if the reference bandpass filter and / or the radiation bandpass filter detects with its respective passband an edge of an absorption band of a gas to be detected. This means that either the reference bandpass filter with its respective passband detects an edge of an absorption band of a gas to be detected or the bandpass filter with its respective passband detects an edge of an absorption band of a gas to be detected. It is also conceivable that both bandpass filters, namely the reference bandpass filter and the radiation bandpass filter, detect an edge of an absorption band of a gas to be detected, but it must be ensured that one of the detectors detects a larger spectral range than the respective other detector.

Aufgrund der aufgeführten Bedingungen entsteht ein spektraler Offset zwischen der Signaldetektion durch den Strahlungsdetektor und der Signaldetektion durch den Referenzstrahlungsdetektor. Dieser Offset ist bedingt durch die größere Bandbreite des Referenzdetektors. Due to the conditions listed, a spectral offset arises between the signal detection by the radiation detector and the signal detection by the reference radiation detector. This offset is due to the larger bandwidth of the reference detector.

Störeinflüsse, wie z.B. Intensitätsdriften der Strahlungsquelle, beeinflussen Mess- und Referenzkanal gleichermaßen, so dass sich das Signalverhältnis nicht verändert. Konzentrationsänderungen des Gases führen hingegen zu einer Änderung des Signalverhältnisses. Interference, such as Intensity drift of the radiation source, affect measuring and reference channel equally, so that the signal ratio does not change. By contrast, changes in the concentration of the gas lead to a change in the signal ratio.

Mit dem vorgeschlagenen NDIR-Gassensor können spektrale Änderungen, die sich z.B. durch Ablagerungen im optischen Messkanal oder durch Umgebungstemperatureinflüsse sowie Intensitätsdriften und spektrale Änderungen der Strahlungsquelle ergeben, kompensiert werden. Besonders vorteilhaft ist, dass auf die bisher verwendeten Kompensationsmethoden, wie die Erzeugung unterschiedlicher Absorptionsweglängen oder die Integration einer Sättigungszelle verzichtet werden kann. Damit ist zum einen eine wesentlich kompaktere und einfachere Bauweise und zum anderen eine deutlich bessere Kompensation von Störeinflüssen realisierbar, wodurch Gasmessgeräte mit deutlich verbesserter Langzeitstabilität und folglich geringeren Wartungskosten erreicht werden. The proposed NDIR gas sensor can compensate for spectral changes resulting, for example, from deposits in the optical measuring channel or from ambient temperature influences as well as intensity drifts and spectral changes in the radiation source. It is particularly advantageous that it is possible to dispense with the previously used compensation methods, such as the generation of different absorption path lengths or the integration of a saturation cell. This is on the one hand a much more compact and simpler design and on the other a much better compensation of interference can be realized, whereby gas meters are achieved with significantly improved long-term stability and consequently lower maintenance costs.

In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen NDIR-Gassensors sind das Strahlungsbandpassfilter und das Referenzbandpassfilter derart ausgelegt, dass mit ihnen eine zu detektierende Gasabsorptionsbande vollständig erfassbar ist. Auch in diesem Fall ist zu gewährleisten, dass einer der Detektoren einen größeren Spektralbereich detektiert als der jeweils andere Detektor. In another embodiment of the NDIR gas sensor according to the invention, the radiation bandpass filter and the reference bandpass filter are designed such that a gas absorption band to be detected can be completely detected with them. In this case too, it must be ensured that one of the detectors detects a larger spectral range than the respective other detector.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen NDIR-Gassensors weist das Strahlungsbandpassfilter eine erste Zentrumswellenlänge und das Referenzbandpassfilter eine zweite Zentrumswellenlänge auf, wobei die erste und die zweite Zentrumswellenlänge identisch sind. Wichtig ist, dass die Bandbreiten der beiden Bandpassfilter unterschiedlich ausgebildet sind und ein Bandpassfilter zumindest einen Teil des Spektrums detektiert, welcher außerhalb der Absorptionsbande des zu detektierenden Gases liegt, damit ein Bandpassfilter einen größeren spektralen Strahlungsanteil sieht, um so einen Offset, wie oben beschrieben, zu erzeugen. In one embodiment of the NDIR gas sensor according to the invention, the radiation bandpass filter has a first center wavelength and the reference bandpass filter has a second center wavelength, wherein the first and second center wavelengths are identical. Importantly, the bandwidths of the two bandpass filters are different and a bandpass filter detects at least a portion of the spectrum that is outside the absorption band of the gas to be detected in order for a bandpass filter to see a larger spectral radiant component, such as offset, as described above. to create.

Die erste und die zweite Zentrumswellenlänge müssen jedoch nicht identisch sein. Sie können sich auch unterscheiden, wobei es vorteilhaft ist, wenn sich die Zentrumswellenlängen im Bereich der zu detektierenden Gasabsorptionsbande befinden. In Abhängigkeit von dem zu detektierenden Gas und seinem charakteristischen spektralen Absorptionsverhalten muss die Wahl des Strahlungsbandpassfilters und des Referenzbandpassfilters derart getroffen werden, dass die Erzeugung eines spektralen Offsets gewährleistet bleibt. However, the first and second center wavelengths need not be identical. They may also differ, it being advantageous if the center wavelengths are in the range of the gas absorption band to be detected. Depending on the gas to be detected and its characteristic spectral absorption behavior, the choice of the radiation bandpass filter and the reference bandpass filter must be made such that the generation of a spectral offset remains ensured.

In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen NDIR-Gassensors können die erste und die zweite Zentrumswellenlänge innerhalb der Absorptionsbande des zu detektierenden Gases liegen. Dazu muss der Referenzbandpassfilter immer auch einen Teil des Transmissionsspektrums des zu detektierenden Gases auf den Detektor transmittieren, der außerhalb der charakteristischen Absorptionsbande des Gases liegt. Beispielsweise detektiert der Referenzbandpass 30% des Transmissionsspektrums, welches außerhalb der Absorptionsbande des zu detektierenden Gases liegt und 70% des Transmissionsspektrums, welches innerhalb der Absorptionsbande des zu detektierenden Gases liegt. In another embodiment of the NDIR gas sensor according to the invention, the first and second center wavelengths can be within the absorption band of the gas to be detected. For this purpose, the reference bandpass filter must always transmit a part of the transmission spectrum of the gas to be detected to the detector, which lies outside the characteristic absorption band of the gas. For example, the reference bandpass detects 30% of the transmission spectrum, which is outside the absorption band of the gas to be detected and 70% of the transmission spectrum, which lies within the absorption band of the gas to be detected.

In einer Ausgestaltung ist es ausreichend, wenn der optische Pfad von der Infrarotstrahlungsquelle bis zu einem ersten Strahlungsdetektor und bis zu einem ersten Referenzstrahlungsdetektor gleich lang ist. Dabei können der Strahlungsdetektor und der Referenzdetektor an einem Messort in der Messkammer nebeneinander angeordnet sein. Damit kann der erfindungsgemäße NDIR-Gassensor in einer besonders kompakten Bauweise realisiert werden. Zudem liegen beide Detektoren auf derselben Wärmesenke, wodurch sich Umgebungstemperaturschwankungen vollständig kompensieren lassen. In one embodiment, it is sufficient if the optical path from the infrared radiation source to a first radiation detector and to a first reference radiation detector is the same length. In this case, the radiation detector and the reference detector can be arranged next to one another at a measuring location in the measuring chamber. Thus, the NDIR gas sensor according to the invention can be realized in a particularly compact design. In addition, both detectors are located on the same heat sink, which can compensate for ambient temperature fluctuations completely.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Kalibrierung des erfindungsgemäßen NDIR-Gassensors dadurch gelöst, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist:

  • – Einleiten einer Messstrahlung in einen ein zu messendes Gas oder Gasgemisch enthaltenen Messkanal,
  • – Auftreffen der Messstrahlung auf ein vor einem ersten Strahlungsdetektor angeordnetes erstes Strahlungsbandpassfilter und auf ein vor einem ersten Referenzdetektor angeordnetes erstes Referenzbandpassfilter, wobei nur Strahlung einer durch das jeweilige Bandpassfilter vorgegebenen Wellenlänge auf den jeweiligen nachgeordneten Strahlungs- und/oder Referenzdetektor trifft,
  • – Bildung eines Signalverhältnisse zwischen einem Detektorsignal des Strahlungsdetektors und einem Detektorsignal des Referenzdetektors,
  • – Auswertung des Signalverhältnisses und
  • – Kompensieren einer Abweichung im Signalverhältnis.
The object of the invention is achieved by a method for calibrating the NDIR gas sensor according to the invention in that the method has the following steps:
  • Introducing measuring radiation into a measuring channel containing a gas or gas mixture to be measured,
  • Impinging the measurement radiation on a first radiation bandpass filter arranged in front of a first radiation detector and on a first reference bandpass filter arranged in front of a first reference detector, wherein only radiation of a wavelength predetermined by the respective bandpass filter strikes the respective downstream radiation and / or reference detector,
  • Formation of a signal ratio between a detector signal of the radiation detector and a detector signal of the reference detector,
  • - Evaluation of the signal ratio and
  • - Compensating a deviation in the signal ratio.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein spektraler Offset erzeugt, der dadurch erzeugt wird, dass das Referenzbandpassfilter oder das Strahlungsbandpassfilter einen größeren Spektralbereich transmittiert als das jeweils andere Bandpassfilter und vom jeweils nachgeordneten Referenzstrahlungsdetektor oder Strahlungsdetektor detektiert wird. Spektrale Änderungen, die sich z.B. durch Ablagerungen im optischen Messkanal oder durch Umgebungstemperatureinflüsse sowie Intensitätsdriften und spektrale Änderungen der Strahlungsquelle ergeben, können so kompensiert werden. The method according to the invention generates a spectral offset which is generated by the reference bandpass filter or the radiation bandpass filter transmitting a larger spectral range than the respective other bandpass filter and being detected by the respective downstream reference radiation detector or radiation detector. Spectral changes, e.g. as a result of deposits in the optical measuring channel or due to ambient temperature influences as well as intensity drifts and spectral changes of the radiation source, can thus be compensated.

In einer Ausgestaltung detektiert der Referenzbandpassfilter mindestens 30% eines Wellenlängenbereichs, der außerhalb der Absorptionsbande des zu messenden Gases liegt. Dieser Bereich kann aber auch kleiner oder größer als 30% sein. Es muss zumindest gewährleistet sein, dass der Referenzdetektor einen größeren spektralen Bereich detektiert als der Strahlungsdetektor und zwar mit einem spektralen Strahlungsanteil der außerhalb der Absorptionsbande des zu detektierenden Gases liegt. In one embodiment, the reference bandpass filter detects at least 30% of a wavelength range that is outside the absorption band of the gas to be measured. This area can but also be smaller or larger than 30%. It must at least be ensured that the reference detector detects a larger spectral range than the radiation detector and indeed with a spectral radiation fraction which is outside the absorption band of the gas to be detected.

Die Erfindung soll nachfolgend an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. The invention will be explained in more detail below with reference to some embodiments.

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen The accompanying drawings show

1 Schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus eines NDIR-Gassensors mit Referenzmessung bei 3,95 µm nach dem Stand der Technik; 1 Schematic representation of the basic structure of an NDIR gas sensor with reference measurement at 3.95 microns according to the prior art;

2 Schematische Darstellung der Signaloffseterzeugung mittels (a) unterschiedlicher Weglängen und (b) Sättigungszelle nach dem Stand der Technik; 2 Schematic representation of the signal offset generation by means of (a) different path lengths and (b) saturation cell according to the prior art;

3 Schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus eines NDIR-Gassensors mit Referenzmessung und erfindungsgemäßer Filterauswahl; 3 Schematic representation of the basic structure of an NDIR gas sensor with reference measurement and inventive filter selection;

4 Spektraler Verlauf der Transmissionsspektren des Strahlungsbandpassfilters, des Referenzbandpassfilters und des zu detektierenden Gases, wobei die Zentrumswellenlängen der Bandpassfilter identisch sind; 4 Spectral profile of the transmission spectra of the radiation bandpass filter, the reference bandpass filter and the gas to be detected, wherein the center wavelengths of the bandpass filters are identical;

5 Signalverhältnis zwischen Signal des Strahlungsdetektors und Signal des Referenzdetektors; 5 Signal ratio between signal of the radiation detector and signal of the reference detector;

6 Spektraler Verlauf der Transmissionsspektren des Strahlungsbandpassfilters, des Referenzbandpassfilters und des zu detektierenden Gases, wobei die Zentrumswellenlängen des Strahlungs- und Referenzbandpassfilters verschieden sind. 6 Spectral profile of the transmission spectra of the radiation bandpass filter, the reference bandpass filter and the gas to be detected, wherein the center wavelengths of the radiation and reference bandpass filter are different.

Ein einfacher NDIR-Gassensor besteht aus einer Infrarotstrahlungsquelle S, einer Messkammer 1 (Küvette), in der sich das zu messenden Gas oder Gasgemisch befindet, das über einen Gaseinlass 4 in die Messkammer 1 eingelassen wird und über einen Gasauslass 5 wieder aus der Messkammer 1 ausgelassen wird, sowie einem Infrarotdetektor D mit Bandpass-Interferenzfilter, dessen Transmissionsspektrum der Absorptionsbande des zu messenden Gases entspricht (1). A simple NDIR gas sensor consists of an infrared radiation source S, a measuring chamber 1 (Cuvette), in which the gas or gas mixture to be measured is located, via a gas inlet 4 into the measuring chamber 1 is admitted and via a gas outlet 5 again from the measuring chamber 1 is omitted, and an infrared detector D with bandpass interference filter whose transmission spectrum of the absorption band of the gas to be measured corresponds ( 1 ).

Gemäß dem erfindungsgemäßen NDIR-Gassensor trifft die Strahlung einer Infrarotstrahlungsquelle S nach dem Passieren der Messkammer 1 mit dem zu untersuchenden Gas an einem Messort gleichzeitig auf einen Strahlungsdetektor D1 und einen Referenzdetektor D2 (3). Dabei ist vor dem Strahlungsdetektor D1 ein Strahlungsbandpassfilter 2 und vor dem Referenzstrahlungsdetektor D2 ein Referenzbandpassfilter 3 angeordnet. Dabei unterscheiden sich die jeweiligen Bandpassfilter 2, 3 in ihren Bandbreiten und ihrer Lage zur jeweiligen Absorptionsbande des zu detektierenden Gases, wobei folgende Bedingungen erfüllt sein müssen: Überlappung der Transmissionsspektren bzw. Durchlassbereiche der eingesetzten Bandpassfilter 2, 3 und die Bandbreite des Referenzbandpassfilters oder die Bandbreite des Strahlungsbandpassfilter ist größer als die Bandbreite des jeweils anderen Bandpassfilters. D.h. entweder ist die Bandbreite des Referenzbandpassfilters größer als die des Strahlungsbandpassfilters oder die Bandbreite des Strahlungsbandpassfilters ist größer als die Bandbreite des Referenzbandpassfilters. Damit ist gewährleistet, dass spektrale Änderungen, die sich z.B. durch Ablagerungen im optischen Messkanal oder durch Umgebungstemperatureinflüsse sowie Intensitätsdriften und spektrale Änderungen der Strahlungsquelle ergeben, kompensiert werden und eine Änderung des spektralen Offsets auf eine Konzentrationsänderung des zu untersuchenden Gases zurückzuführen ist. According to the NDIR gas sensor according to the invention, the radiation of an infrared radiation source S strikes after passing through the measuring chamber 1 with the gas to be examined at one location simultaneously to a radiation detector D 1 and a reference detector D 2 ( 3 ). In this case, a radiation bandpass filter is in front of the radiation detector D 1 2 and a reference bandpass filter in front of the reference radiation detector D 2 3 arranged. The respective bandpass filters differ here 2 . 3 in their bandwidths and their position to the respective absorption band of the gas to be detected, wherein the following conditions must be met: overlap of the transmission spectra or pass bands of the bandpass filter used 2 . 3 and the bandwidth of the reference bandpass filter or the bandwidth of the bandpass filter is greater than the bandwidth of the other bandpass filter. That is, either the bandwidth of the reference bandpass filter is greater than that of the radiation bandpass filter or the bandwidth of the bandpass filter is greater than the bandwidth of the reference bandpass filter. This ensures that spectral changes resulting, for example, from deposits in the optical measuring channel or from ambient temperature influences as well as intensity drifts and spectral changes of the radiation source are compensated for and a change in the spectral offset is attributable to a change in concentration of the gas to be investigated.

Die Lage des jeweiligen Bandpassfilters des Strahlungs- und Referenzdetektors zur Absorptionsbande des zu untersuchenden Gases ist in 4 dargestellt. Dabei können die Zentrumswellenlängen der Bandpassfilter 2, 3 zusammen fallen. Wichtig ist, dass die Bandbreiten der beiden Bandpassfilter 2, 3 unterschiedlich ausgebildet sind und ein Bandpassfilter zumindest einen Teil des Spektrums detektiert, welcher außerhalb der Absorptionsbande 7 des zu detektierenden Gases liegt, damit ein Bandpassfilter einen größeren spektralen Strahlungsanteil sieht, um so einen Offset, wie oben beschrieben, zu erzeugen. The position of the respective bandpass filter of the radiation and reference detector to the absorption band of the gas to be examined is in 4 shown. In this case, the center wavelengths of the bandpass filter 2 . 3 fall together. Importantly, the bandwidths of both bandpass filters 2 . 3 are formed differently and a bandpass filter detects at least part of the spectrum, which outside the absorption band 7 of the gas to be detected, so that a bandpass filter sees a larger spectral radiation component, so as to produce an offset, as described above.

5 zeigt das Signalverhältnis des Strahlungs- oder Gasdetektors und des Referenzstrahlungsdetektors und des sich daraus ergebenden Signalverhältnisses in Abhängigkeit von der Gaskonzentration. Störeinflüsse, wie z.B. Intensitätsdriften der Strahlungsquelle, beeinflussen Mess- und Referenzkanal gleichermaßen, so dass sich das Signalverhältnis nicht verändert. Konzentrationsänderungen des Gases führen hingegen zu einer Änderung des Signalverhältnisses. 5 shows the signal ratio of the radiation or gas detector and the reference radiation detector and the resulting signal ratio as a function of the gas concentration. Disturbing influences, such as intensity drifting of the radiation source, influence the measuring and reference channel equally, so that the signal ratio does not change. By contrast, changes in the concentration of the gas lead to a change in the signal ratio.

6 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen NDIR-Gassensors, wobei die Zentrumswellenlängen des Referenzbandpassfilters 3 und die Zentrumswellenlänge des Strahlungsbandpassfilters 2 verschieden ausgebildet sind. Wichtig ist, dass die Bandbreiten der beiden Bandpassfilter 2, 3 unterschiedlich ausgebildet sind und ein Bandpassfilter zumindest einen Teil des Spektrums detektiert, welcher außerhalb der Absorptionsbande 7 des zu detektierenden Gases liegt, damit ein Bandpassfilter einen größeren spektralen Strahlungsanteil sieht, um so einen Offset, wie oben beschrieben, zu erzeugen. 6 shows a further embodiment of the NDIR gas sensor according to the invention, wherein the center wavelengths of the reference bandpass filter 3 and the center wavelength of the radiation bandpass filter 2 are formed differently. Importantly, the bandwidths of both bandpass filters 2 . 3 are formed differently and a bandpass filter detects at least part of the spectrum, which outside the absorption band 7 of the gas to be detected, so that a bandpass filter has a larger spectral Radiation component sees, so as to generate an offset, as described above.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Messkammer, Messkanal Measuring chamber, measuring channel
2 2
Strahlungsbandpassfilter Radiation band pass filter
3 3
Referenzbandpassfilter Reference bandpass filter
4 4
Gaseinlass gas inlet
5 5
Gasauslass gas outlet
6 6
Sättigungszelle saturation cell
7 7
Gasabsorptionsbande Gas absorption band
7171
eine Flanke einer Gasabsorptionsbande  a flank of a gas absorption band
7272
eine andere Flanke einer Gasabsorptionsbande  another flank of a gas absorption band
D1 D 1
Strahlungsdetektor  radiation detector
D2 D 2
Referenzstrahlungsdetektor  Reference radiation detector
SS
Infrarotstrahlungsquelle  Infrared radiation source

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (9)

NDIR-Gassensor zur Erfassung unterschiedlicher Gase oder Gaskonzentrationen umfassend eine Infrarotstrahlungsquelle (S), eine Messkammer (1) mit einem eine Absorptionsweglänge L aufweisenden optischen Pfad, einen Strahlungsdetektor (D1), einen Referenzstrahlungsdetektor (D2), wobei vor dem Strahlungsdetektor (D2) ein Strahlungsbandpassfilter (2) mit einem Durchlassbereich und vor dem Referenzstrahlungsdetektor (D1) ein Referenzbandpassfilter (3) mit einem Durchlassbereich angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlassbereich des Strahlungsbandpassfilters (2) und der Durchlassbereich des Referenzbandpassfilters (3) überlappend ausgebildet sind, wobei das Referenzbandpassfilter (3) oder das Strahlungsbandpassfilter (2) eine größere Bandbreite gegenüber dem jeweils anderen Bandpassfilter aufweist. NDIR gas sensor for detecting different gases or gas concentrations comprising an infrared radiation source (S), a measuring chamber ( 1 ) with an optical path having an absorption path length L, a radiation detector (D 1 ), a reference radiation detector (D 2 ), a radiation band pass filter (D 2 ) being located in front of the radiation detector (D 2 ) 2 ) with a passband and in front of the reference radiation detector (D 1 ) a reference bandpass filter ( 3 ) is arranged with a passband, characterized in that the passband of the bandpass filter ( 2 ) and the passband of the reference bandpass filter ( 3 ) are formed overlapping, wherein the reference bandpass filter ( 3 ) or the radiation bandpass filter ( 2 ) has a larger bandwidth over the other bandpass filter. NDIR-Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzbandpassfilter (3) oder / und das Strahlungsbandpassfilter (2) mit seinem jeweiligen Durchlassbereich eine Flanke (71, 72) einer Absorptionsbande (7) eines zu detektierenden Gases erfasst. NDIR gas sensor according to claim 1, characterized in that the reference bandpass filter ( 3 ) and / or the radiation bandpass filter ( 2 ) with its respective passband a flank ( 71 . 72 ) of an absorption band ( 7 ) of a gas to be detected. NDIR-Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsbandpassfilter (2) und das Referenzbandpassfilter (2) derart ausgebildet sind, dass mit ihnen eine zu detektierende Gasabsorptionsbande (7) vollständig erfassbar ist. NDIR gas sensor according to claim 1, characterized in that the radiation bandpass filter ( 2 ) and the reference bandpass filter ( 2 ) are formed such that with them a gas absorption band to be detected ( 7 ) is completely detectable. NDIR-Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsbandpassfilter (2) eine erste Zentrumswellenlänge und das Referenzbandpassfilter (3) eine zweite Zentrumswellenlänge aufweist, wobei die erste und die zweite Zentrumswellenlänge identisch sind. NDIR gas sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the radiation bandpass filter ( 2 ) a first center wavelength and the reference bandpass filter ( 3 ) has a second center wavelength, the first and second center wavelengths being identical. NDIR-Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Zentrumswellenlänge unterschiedlich sind. NDIR gas sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first and the second center wavelength are different. NDIR-Gassensor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Zentrumswellenlänge innerhalb der Absorptionsbande (7) des zu detektierenden Gases liegen. NDIR gas sensor according to one of claims 4 or 5, characterized in that the first and second center wavelengths within the absorption band ( 7 ) of the gas to be detected. Verfahren zur Kalibrierung eines NDIR-Gassensors gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Einleiten (4) einer Messstrahlung in einen ein zu messendes Gas oder Gasgemisch enthaltene Messkanal (1), – Auftreffen der Messstrahlung auf ein vor einem ersten Strahlungsdetektor (D1) angeordnetes erstes Strahlungsbandpassfilter (2) und auf ein vor einem ersten Referenzdetektor (D2) angeordnetes erstes Referenzbandpassfilter (3), wobei nur Strahlung einer durch das jeweilige Bandpassfilter vorgegebenen Wellenlänge auf den jeweiligen nachgeordneten Strahlungs- und/oder Referenzdetektor (D1, D2) trifft, – Bildung eines Signalverhältnisse zwischen einem Detektorsignal des Strahlungsdetektors (D1) und einem Detektorsignal des Referenzdetektors (D2), – Auswertung des Signalverhältnisses und – Kompensieren einer Abweichung im Signalverhältnis. Method for calibrating an NDIR gas sensor according to claims 1 to 6, the method comprising the following steps: - initiating ( 4 ) of a measuring radiation in a measuring channel to be measured a gas or gas mixture ( 1 ), - impinging the measuring radiation on a front of a first radiation detector (D 1 ) arranged first radiation bandpass filter ( 2 ) and to a first reference bandpass filter (D 2 ) arranged in front of a first reference detector (D 2 ). 3 ), wherein only radiation of a predetermined by the respective bandpass filter wavelength on the respective downstream radiation and / or reference detector (D 1 , D 2 ), - Forming a signal ratio between a detector signal of the radiation detector (D 1 ) and a detector signal of the reference detector ( D 2 ), - Evaluation of the signal ratio and - Compensating a deviation in the signal ratio. Verfahren zur Kalibrierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzbandpassfilter (3) einen größeren Spektralbereich als das Strahlungsbandpassfilter (2) transmittiert, wobei damit ein Signaloffset am Referenzdetektor (D2) erzeugt wird. Calibration method according to claim 7, characterized in that the reference bandpass filter ( 3 ) a wider spectral range than the radiation bandpass filter ( 2 ), whereby a signal offset is generated at the reference detector (D 2 ). Verfahren zur Kalibrierung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzbandpassfilter (3) mindestens 30% eines Wellenlängenbereichs detektiert, der außerhalb der Absorptionsbande (7) des zu messenden Gases liegt. Calibration method according to one of Claims 7 or 8, characterized in that the reference bandpass filter ( 3 ) detects at least 30% of a wavelength range outside the absorption band ( 7 ) of the gas to be measured is located.
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