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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Kohlenstoffdioxid reagiert mit Wasser zu Kohlensäure. Die Kohlensäure beziehungsweise die Ionen der Säure im Wasser verändern elektrische Eigenschaften des Wassers. Diese können durch einen Sensor erfasst werden. Die
DE 103 26 476 A1 beschreibt einen Sensor zum Bestimmen eines chemischen Elements.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Schutzvorrichtung für einen Sensor zum Erfassen einer Konzentration von Kohlenstoffdioxid in Luft sowie ein Sensor zum Erfassen einer Konzentration von Kohlenstoffdioxid in 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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Reversible chemische Reaktionen laufen ab, bis ein Gleichgewicht zwischen den Reaktionspartnern und den Reaktionsprodukten in einem Reaktionsvolumen erreicht ist. Ein oder mehrere Reaktionspartner können jedoch mit einem oder mehreren Stoffen quasi irreversibel reagieren und so für die Gleichgewichtsreaktion nicht mehr zur Verfügung stehen.
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Bei einem Sensorelement kann ein auf der Gleichgewichtsreaktion basiertes Sensorsignal durch die Störung des Gleichgewichts verfälscht werden. Das Sensorelement kann geschützt werden, indem die störenden Stoffe vor dem Sensorelement gebunden werden.
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Es wird eine Schutzvorrichtung für einen Sensor zum Erfassen einer Konzentration von Kohlenstoffdioxid in Luft vorgestellt, wobei die Schutzvorrichtung in Strömungsrichtung der Luft vor einem Sensorelement des Sensors anordenbar ist und ein Filtermaterial aufweist, das mit Stoffen reagiert, die eine größere Acidität als Kohlenstoffdioxid aufweisen.
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Unter Verwendung der Schutzeinrichtung können Stoffe von dem Sensorelement ferngehalten werden, die eine Funktionsfähigkeit des Sensorelements beeinträchtigen könnten. In Strömungsrichtung der Luft kann bedeuten, dass die Schutzvorrichtung im betriebsbereiten Zustand des Sensors so angeordnet ist, dass die Luft die Schutzvorrichtung vor Erreichen des Sensorelements passiert. Auf diese Weise können unerwünschte Stoffe durch die Schutzvorrichtung aus der Luft herausgefiltert werden, bevor die Luft das Sensorelement erreicht. Beispielsweise kann die Schutzvorrichtung in oder an einem Einlasskanal oder einem Lufteinlass des Sensors angeordnet sein. Unter einem Lufteinlass kann eine Öffnung verstanden werde, durch die die Luft zu dem Sensorelement gelangt.
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Die Acidität ist ein Maß für die Fähigkeit einer chemischen Verbindung beziehungsweise eines Stoffes, alleine oder in Verbindung mit Wassermolekülen Protonen abzugeben. Die Stoffe können beispielsweise Essigsäure CH3COOH oder Schwefeldioxid SO2, Schwefeltrioxid SO3, Stickstoffdioxid NO2 sein. Die letzten drei haben in Verbindung mit Wasser eine starke Tendenz Protonen abzugeben.
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Das Filtermaterial kann Poren mit einer Porengröße in einem Bereich zwischen 20 Nanometern und einem Millimeter, insbesondere zwischen 200 Nanometern und 250 Mikrometern, insbesondere zwischen 500 Nanometern und 100 Mikrometern aufweisen. Durch eine angepasste Porengröße kann eine große Oberfläche für die Reaktion mit den Stoffen bereitgestellt werden.
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Das Filtermaterial kann basisch sein. Insbesondere kann das Filtermaterial mäßig basisch sein. Durch die basische Eigenschaft können die aciden Stoffe besonders gut gebunden werden.
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Das Filtermaterial kann mit Kohlenstoffdioxid nicht oder vernachlässigbar reagieren. Dadurch kann eine Funktion des Sensorelements nicht oder nur unwesentlich eingeschränkt werden.
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Das Filtermaterial kann ein Carbonat, beispielsweise ein Carbonat eines Alkalimetalls, ein Carbonat eines Erdalkalimetalls und/oder ein Carbonat eines Seltenerdmetalls umfassen. Carbonate sind gut zur Reaktion mit den Stoffen geeignet. Zusätzlich oder alternativ kann das Filtermaterial ein Oxid umfassen.
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Das Filtermaterial kann Bariumcarbonat umfassen. Bariumcarbonat kann die gasförmigen Stoffe zu Feststoffen binden.
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Die Schutzvorrichtung kann einen für Luftbestandteile diffusionsoffenen Träger aufweisen, der das Filtermaterial trägt. Beispielsweise kann das Filtermaterial auf dem Träger oder einer Oberfläche des Trägers angeordnet sein. Der Träger kann Öffnungen oder Poren aufweisen, durch die die Luft strömen kann. Der Träger kann eine Stabilität des Filtermaterials erhöhen.
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Die Schutzvorrichtung kann ein für Luftbestandteile diffusionsoffenes Gehäuse aufweisen. Das Filtermaterial kann in dem Gehäuse angeordnet sein. Beispielsweise kann das Filtermaterial innerhalb eines von dem Gehäuse umschlossenen Raum angeordnet sein. Das Gehäuse kann Öffnungen oder Poren aufweisen, durch die die Luft strömen kann. Das Gehäuse kann das Filtermaterial umschließen. Durch das Gehäuse ist das Filtermaterial rundherum geschützt.
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Die Schutzvorrichtung kann ein Heizelement zum Beheizen des Filtermaterials aufweisen. Durch Wärmezufuhr können die Stoffe mit dem Filtermaterial schneller reagieren und es können chemische Gleichgewichte verschoben werden.
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Weiterhin wird ein Sensor zum Erfassen einer Konzentration von Kohlenstoffdioxid in Luft vorgestellt, wobei der Sensor ein mit Kohlenstoffdioxid reagierendes Sensorelement aufweist, das dazu ausgebildet ist, die Konzentration des Kohlenstoffdioxids in einem elektrischen Signal abzubilden, wobei in Strömungsrichtung der Luft vor dem Sensorelement eine Schutzvorrichtung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz angeordnet ist.
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Das Sensorelement kann basisch mit dem Kohlenstoffdioxid reagieren. Kohlenstoffdioxid ist in Wasser ein Säurebildner. Durch die basische Reaktion kann ein vergrößerter Signalpegel am Sensorelement erreicht werden.
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Das Sensorelement kann in einer Vertiefung eines Gehäuses des Sensors angeordnet sein. Die Schutzvorrichtung kann eine Öffnung der Vertiefung verschließen. Die Vertiefung ist über eine einzelne Öffnung zugänglich, die einfach verschlossen werden kann. Dadurch kann das Sensorelement gut geschützt werden.
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Ein Lufteinlass des Sensors kann konisch ausgeführt sein. Wenn die Schutzvorrichtung innerhalb des Lufteinlasses angeordnet ist, kann eine Form der Schutzvorrichtung an eine Form des Lufteinlassens angepasst sein, also beispielsweise ebenfalls konisch geformt sein. Durch eine Konizität können Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden. Die Schutzvorrichtung kann dadurch je nach Größe tiefer oder weniger tief in dem Lufteinlass angeordnet sein.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Schutzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 eine Darstellung eines Sensors mit einer Schutzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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3 eine Darstellung eines Sensors mit einer Schutzvorrichtung mit einem Träger 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 einer Schutzvorrichtung 100 für einen Sensor zum Erfassen einer Konzentration von Kohlenstoffdioxid 102 in Luft gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Schutzvorrichtung 100 kann in Strömungsrichtung der Luft vor einem Sensorelement des Sensors, beispielsweise in einem Lufteinlass des Sensors vor angeordnet werden. Die Schutzvorrichtung weist ein Filtermaterial 104 auf, das mit Stoffen 106 reagiert, die eine größere Acidität als das Kohlenstoffdioxid 102 aufweisen. Diese Stoffe 106 würden bei Kontakt mit dem Sensorelement reagieren und könnten das Sensorelement irreversibel schädigen.
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Das Filtermaterial 104 ist luftdurchlässig. Dazu weist das Filtermaterial 104 Poren 108 auf. Das Kohlenstoffdioxid 102 gelangt durch die Poren 108 zu dem Sensorelement. Das Kohlenstoffdioxid 102 reagiert nur unwesentlich beziehungsweise gar nicht mit dem Filtermaterial 104. Die anderen Stoffe 106 reagieren an einer durch die Poren vergrößerten Oberfläche des Filtermaterials 104. Eine Reaktionsgeschwindigkeit der Reaktion ist abhängig von einer Reaktionstemperatur. Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen oder ein Gleichgewicht zu verschieben, weist die Schutzvorrichtung 100 in einem Ausführungsbeispiel ein Heizelement 110 auf, das in wärmeleitendem Kontakt zu dem Filtermaterial 104 angeordnet ist.
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Die Poren 108 weisen gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Porengröße in einem Bereich zwischen einigen Nanometern und einem Millimeter, beispielsweise in einem Bereich zwischen 20 Nanometern und einem Millimeter auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt dieser Bereich zwischen 200 Nanometern und 250 Mikrometern oder zwischen 500 Nanometern und 100 Mikrometern.
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In einem Ausführungsbeispiel weist die Schutzvorrichtung 100 ein Gehäuse 112 auf. Das Filtermaterial 104 ist in einem von dem Gehäuse 112 zumindest teilweise umschlossenen Innenraum angeordnet. Das Gehäuse 112 ist beispielsweise an einer Oberseite und an einer gegenüberliegenden Unterseite luftdurchlässig beziehungsweise zumindest diffusionsoffen für Luftbestandteile. Beispielsweise weist das Gehäuse 112 an der Oberseite und der Unterseite Öffnungen oder Poren auf.
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2 zeigt eine Darstellung eines Sensors 200 mit einer Schutzvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Schutzvorrichtung 100 entspricht im Wesentlichen der Schutzvorrichtung in 1. Der Sensor 200 weist ein Sensorelement 202 und ein Gehäuse 204 auf. Das Gehäuse 204 weist eine Öffnung als Lufteinlass 206 auf und ist ansonsten luftdicht. Die Schutzvorrichtung 100 ist in dem Lufteinlass 206 angeordnet. Eine Querschnittsfläche des Lufteinlasses 206 wird durch die Schutzvorrichtung 100 vollständig ausgefüllt.
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Hier bildet das Gehäuse 204 eine Vertiefung aus. Die Vertiefung kann als ein Lufteinlass 206 des Sensors angesehen werden. Das Sensorelement 202 ist gegenüber dem Lufteinlass 206 angeordnet. Die Vertiefung ist konisch. Das Filtermaterial 104 als Block ebenso konisch geformt und direkt in der Öffnung 206 beziehungsweise dem Lufteinlass 206 angeordnet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Schutzvorrichtung 100 für eine Klasse von CO2-Sensoren 200 einsetzbar. Die CO2-Sensoren 200 können beispielsweise für Endverbraucher-Anwendungen verwendet werden.
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Miniaturisierte und kostengünstige CO2-Sensorelemente 202 können aus basisch reagierenden Materialien bestehen, die mit dem aciden CO2 102 eine signifikante chemische Wechselwirkung eingehen. Die Wechselwirkung ist im Wesentlichen eine Lewis- oder Brönsted-Säure-Base-Wechselwirkung. In einem Beispielfall ist ein Teil des Mechanismus, dass CO2 102, möglicherweise in Gegenwart von Feuchtigkeit, mit basischen Amin-Gruppen reagiert.
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Die CO2-Sensorelemente 202 können auch als Metalloxid- oder Metallcarbonatsensoren ausgeführt sein, die aus basischen Oxiden oder Carbonaten bestehen. Die Carbonate können Seltenerdcarbonate oder Erdalkalimetallkarbonate sein. Beispiele dafür sind Lanthanoxid und Bariumcarbonat. Die Sensormaterialien sind im Realbetrieb aber nicht nur Sauerstoff, Feuchtigkeit und CO2 102 ausgesetzt, sondern auch anderen Gasen, die noch acider sind, als CO2 102, wie beispielsweise NO2, SO2, SO3 oder Essigsäure (CH3COOH). Diese sind zwar in kleineren Konzentrationen vorhanden, als CO2 102, beispielsweise um Faktor 100 oder 1000 geringer, wechselwirken aber wesentlich stärker mit basischen Materialien und können an diese irreversibel binden, indem sie beispielsweise Sulfate oder Nitrate bilden. Dies würde das Sensorelement 202 in seiner Funktion beeinträchtigen und kann sogar zum Ausfall der Sensorfunktion führen.
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Hier wird ein Schutzkonzept für basisch reagierende CO2-Sensorelemente 202 im Realbetrieb vorgestellt. Dabei wird eine Vorrichtung 100 verwendet, die ein Material 104 umfasst, das mäßig basisch ist, mit Stoffen reagiert, die acider als CO2 102 sind, aber mit CO2 102 nicht oder nur vernachlässigbar reagiert. Beispiele hierfür sind Carbonate der Alkali-, Erdalkali- oder Seltenerdmetalle. Bevorzugt wird ein Carbonat, wie Bariumcarbonat verwendet.
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Die acideren Stoffe als CO2 102, die nicht an das Sensorelement 202 gelangen sollen, wie beispielsweise SO2 oder NO2, reagieren mit dem Bariumcarbonat. BaCO3 + SO2 → BaSO3 + CO2 BaCO3 + 2NO2 → Ba(NO3)(NO2) + CO2
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Hier wird ein Äquivalent CO2 freigesetzt. Dies könnte theoretisch den Messwert verfälschen, indem es die zu messende Luft mit CO2 anreichert. Jedoch ist zu bedenken, dass solche acideren Stoffe in Luft um mindestens Faktor 100 bis 1000 weniger konzentriert vorliegen als CO2 102. Die Verfälschung ist also für den vorgesehenen Zweck des Sensors 200 unwesentlich.
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Die genannte Vorrichtung 100 ist zwischen dem zu schützenden Sensorelement 202 und der Außenluft angebracht, sodass die Luft, die zum Sensorelement 202 gelangt, durch die Vorrichtung 200 und durch oder über das genannte Carbonat- oder Oxidmaterial 104 passiert.
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Befindet sich das Sensorelement 202 beispielsweise in einer Vertiefung, so kann die Vorrichtung 100 oberhalb der Vertiefung platziert sein. Die Vorrichtung 100 kann beispielsweise nur aus dem Carbonat- oder Oxidmaterial 104 in einer offenporigen Form bestehen. Es kann auch in einem eigenen Gehäuse untergebracht sein, dass zur Außenluft und zum Sensorelement 202 hin Öffnungen hat, sodass Luft passieren kann. Oder es kann auf einem Plättchen aufgebracht sein, welches Löcher oder Poren hat oder aus einem anderen Grund diffusionsoffen für Luftbestandteile ist.
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Das Carbonat- oder Oxidmaterial 104 weist Poren in einem Bereich zwischen 20 Nanometern und einem Millimeter, insbesondere zwischen 200 Nanometern und 250 Mikrometern oder zwischen 500 Nanometern und 100 Mikrometern auf.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Schutzvorrichtung 100 beziehungsweise das Material 104 beheizbar. Dadurch kann die Effizienz des Schutzes verbessert werden, weil die für den Sensor 200 schädlichen aciden Stoffe noch rascher mit dem Material 104 reagieren.
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3 zeigt eine Darstellung eines Sensors 200 mit einer Schutzvorrichtung 100 mit einem Träger 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Sensor entspricht dabei im Wesentlichen dem Sensor in 2. Zusätzlich dazu weist die Schutzvorrichtung 100 den Träger 300 auf, auf dem das Filtermaterial 104 angeordnet ist. Der Träger 300 ist hier ein Plättchen mit Poren oder Löchern, durch die die Luft strömen kann. Der Träger 300 ist zwischen der Schutzvorrichtung 100 und dem Sensorelement 202 angeordnet und liegt seitlich am Gehäuse 204 an. Auf der Seite des Lufteinlasses 206 liegt das Filtermaterial 104 offen.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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