DE102017208463A1

DE102017208463A1 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE102017208463A1
Application number: DE102017208463.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Aquino Maier; Martin Schreivogel; Benjamin Traenkle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2018-11-22
Also published as: WO2018210478A1; CN110637225A

Abstract

Optischer Sensor zur optischen Messung von zumindest einer Konzentration eines Bestandteils einer Flüssigkeit oder eines Messgases, insbesondere zur optischen Messung der Konzentration eines Bestandteils im Abgas eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine, mit einer Lichtquelle (20), mit einem Messraum (22), mit einem optischen Detektor (24) und mit einem aus einem optisch transparenten Material gefertigten Gehäuse (10), welches Licht (201) von der Lichtquelle (20) zu dem Messraum (22) und von dem Messraum (22) zu dem optischen Detektor (24) leitet.

Description

Stand der Technik
Aus der DE 10 2008 044 171 A1 ist bereits ein Sensor zur Messung der Konzentration eines Bestandteils eines Abgases bekannt, der eine Lichtquelle, eine Messzelle und einen optischen Detektor umfasst, wobei von der Lichtquelle erzeugtes Licht in die Messzelle und von dort zu dem optischen Detektor gelangt. Die Messzelle wird von einem optischen Fenster begrenzt, durch das Licht von der Lichtquelle in die Messzelle und nach Umlenkung an einem Spiegel aus der Messzelle heraus zu dem optischen Detektor gelangt. Der bekannte Sensor weist ferner ein Gehäuse aus einem metallischen Material auf, an dem Fenster und Spiegel des Sensors befestigt sind.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 basiert auf der Erkenntnis, dass vorbekannte Sensoren aufwändig zu fertigen sind, da mehrere optische Komponenten an dem Gehäuse montiert werden müssen, und im Betrieb fehleranfällig sind, da die Montage der optischen Komponenten notwendigerweise mit Fehlertoleranzen behaftet ist.
Der erfindungsgemäße Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat hingegen den Vorteil, dass er einfach zu fertigen und betriebssicher ist, denn er weist ein aus einem optisch transparenten Material gefertigtes Gehäuse auf, welches Licht von der Lichtquelle zu dem Messraum und von dem Messraum zu dem optischen Detektor leitet. Der Montage weiterer Fenster, Spiegel oder Lichtleiter bedarf es nicht notwendigerweise. Ein derartiges „Lichtwellenleitergehäuse“ kann einfach und dennoch präzise gefertigt werden und problemlos betrieben werden.
Unter einem optischen Sensor wird im Rahmen der Messung insbesondere ein Sensor verstanden, dessen Messprinzip auf der Wechselwirkung des nachzuweisenden Bestandteils mit dem von der Lichtquelle erzeugten Licht basiert, beispielsweise auf einer Absorption basiert oder auf einer nichtlinearen Wechselwirkung, beispielsweise einer Frequenzkonversion, basiert. Es kann sich beispielsweise um einen Sensor zum selektiven Nachweis von NO₂, NO, NH₃, SO₂, O₂ und/oder dergleichen handeln.
Es kann sich bei dem optischen Sensor beispielsweise um einen Sensor zur Messung eines derartigen Bestandteils im Abgas eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine handeln, also einen Sensor, der bauartbedingt insbesondere Gasen hoher Temperatur, beispielsweise bis zu 600°C oder sogar bis zu 900°C, aussetzbar ist. Derartige Abgassensoren weisen ferner insbesondere Montagemittel zur Aufnahme in einem Zielsystem, beispielsweise in einem Abgastrakt eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine, auf. Es kann sich bei den Montagemitteln zum Beispiel um ein Gewinde, zum Beispiel Außengewinde, und/oder um ein Montageprofil, zum Beispiel um ein Außensechskantprofil, handeln und/oder um dergleichen handeln.
Unter einer Lichtquelle wird im Rahmen der Anmeldung insbesondere eine Quelle von kohärentem und/oder inkohärentem Licht verstanden, beispielsweise eine Leuchtdiode mit einer Emission im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich oder mehrerer solcher Leuchtdioden in einem Leuchtdiodenarray. Alternativ kann es sich um einen Laser mit einer Emission im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich, beispielsweise um einen Halbleiterlaser oder um mehrere derartige Halbleiterlaser handeln.
Unter einem optischen Detektor wird im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere ein Detektor verstanden, der Licht in ein elektrisches Signal, beispielsweise in eine Spannung und/oder in einen Strom, wandelt, beispielsweise eine Photodiode und/oder ein Phototransistor.
Unter einem Messraum wird im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere ein räumlicher Bereich verstanden, in dem es zur Wechselwirkung des nachzuweisenden Bestandteils mit dem von der Lichtquelle erzeugten Licht kommt. Der Messraum kann insbesondere im Inneren des Gehäuses angeordnet sein und/oder von diesem in einer oder zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen begrenzt sein; in diesen Fällen handelt es sich bei dem Messraum insbesondere um eine Messkammer. Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Messraum beziehungsweise die Messkammer mit einem außerhalb des Sensors befindlichen Raumbereich fluidisch kommuniziert.
Unter einem optisch transparenten Material wird im Rahmen der Anmeldung insbesondere ein Material verstanden, dass im ultravioletten, im sichtbaren und/oder im infraroten Spektralbereich transparent ist, beispielsweise kann es sich um ein Glas und/oder um einen Kunststoff handeln. Es kann sich beispielsweise um ein Quarzglas oder um Deep UV-Silikon handeln.
Das Gehäuse ist aus dem optisch transparenten Material gefertigt, insbesondere besteht es aus dem optisch transparenten Material. Das Gehäuse kann insbesondere einstückig aus dem optisch transparenten Material gefertigt sein und/oder aus dem optisch transparenten Material bestehen. Dem steht es jeweils nicht entgegen, dass auf dem Gehäuse insbesondere Beschichtungen vorgesehen sein können, deren Wechselwirkung mit Licht insbesondere zu dessen Absorption oder insbesondere zu dessen Reflexion oder insbesondere zu dessen Streuung oder insbesondere zu dessen Filterung führt. Dem steht es jeweils auch nicht entgegen, dass das Gehäuse in einem Zielsystem aufnehmbar ist, beispielsweise in einem metallischen Schutzrohr, das beispielsweise porös sein kann und einen Zutritt eines Gases zu dem Messraum gewährleistet.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Licht von der Lichtquelle über den Messraum zu dem optischen Detektor lediglich durch das optisch transparente Material, aus dem das Gehäuse gefertigt ist beziehungsweise aus dem das Gehäuse, wie oben erläutert, bestehen kann, geleitet wird. In diesem Fall weist der Sensor also zur Lichtleitung keine weiteren optischen Komponenten auf, also insbesondere keine mit dem Gehäuse nicht einstückige Fenster, Spiegel, Fasern und/oder dergleichen. Alle optischen Komponenten des Sensors, die nicht zur Lichterzeugung und/oder zur Lichtdetektion dienen, können somit durch das Gehäuse einstückig ausgeführt sein.
Unter dem Gehäuse des optischen Sensors wird im Rahmen der Anmeldung insbesondere eine Komponente verstanden, die dem optischen Sensor eine mechanische Stabilität verleiht und/oder insbesondere eine mechanisch tragende Struktur des optischen Sensors darstellt. Das Gehäuse kann ferner eine Schnittstelle zur weiteren Integration des Sensors in einem Zielsystem aufweisen, beispielsweise eine Dichtfläche.
Es kann beispielsweise eine, insbesondere an das Gehäuse einstückig angeformte, Dichtscheibe vorgesehen sein, die beispielsweise an einem Schutzrohr zur fixierenden Anlage entlang einer Linie, beispielsweise einer Kreislinie, kommen kann und auf diese Weise eine auch bei Wärmeausdehnungen des Sensors und seiner Komponenten spannungs- und belastungsarme Fixierung des Gehäuses in dem Sensor gewährleistet.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Messraum beziehungsweise die Messkammer des optischen Sensors von dem Gehäuse in einer oder in zwei zueinander senkrechen Raumrichtungen begrenzt wird, beispielsweise umhüllt wird. Unter dem Gehäuse des optischen Sensors wird im Rahmen der Anmeldung insbesondere eine Komponente verstanden, dessen Abmessungen sich in zumindest einer Raumrichtung, insbesondere sich in zumindest zwei oder drei zueinander senkrechten Raumrichtungen, entlang zumindest 50% der Abmessung des optischen Sensors erstrecken. Unter dem Gehäuse des optischen Sensors wird im Rahmen der Anmeldung insbesondere eine Komponente verstanden, dessen Masse und/oder dessen Volumen zumindest 30% der Masse und/oder des Volumens des optischen Sensors ausmacht. Eine insbesondere lediglich an der Peripherie eines optischen Sensors beziehungsweise einer Messkammer oder eines Messraumes angeordnete insbesondere im Wesentlichen plane optische Komponente, wie insbesondere ein aus dem eingangs erwähnten Stand der Technik bekanntes Fenster, stellt selbstredend insbesondere kein Gehäuse eines optischen Sensors dar.
Das erfindungsgemäße Gehäuse leitet erfindungsgemäß Licht von der Lichtquelle zu dem Messraum und von dem Messraum zu dem optischen Detektor. Unter der Leitung von Licht durch das Gehäuse ist im Rahmen der Anmeldung insbesondere eine nicht lediglich passive Durchleuchtung des Gehäuses zu verstehen, sondern insbesondere eine Formung und/oder Führung des Lichtes transversal zu seiner Ausbreitungsrichtung, insbesondere durch Reflexion, beispielsweise Totalreflexion, an dem optischen Gehäuse.
Insbesondere kann zumindest eine Reflexion des Lichts an dem Gehäuse vorgesehen sein, die insbesondere die Ausbreitungsrichtung und/oder eine Strahlform des Lichts beeinflusst. Hierfür können insbesondere Abschnitte des Gehäuses vorgesehen sein, die sich in Ausbreitungsrichtung des Lichts insbesondere verjüngen oder aufweiten und eine Fokussierung oder Kollimierung des Lichts bewirken, oder als Reflektor, insbesondere als gewölbter Spiegel und/oder Axikon, ausgeführte Abschnitte des Gehäuses vorgesehen sein.
Derartige Abschnitte des Gehäuses, die sich in Ausbreitungsrichtung des Lichts insbesondere verjüngen oder aufweiten und eine Fokussierung oder Kollimierung des Lichts bewirken, werden auch als Taper bezeichnet und sind insbesondere auf der der Lichtquelle zugewandten Seite des Gehäuses und/oder insbesondere auf der dem optischen Detektor zugewandten Seite des Gehäuses und/oder insbesondere auf der dem unten noch näher erläuterten optischen Referenzdetektor zugewandten Seite des Gehäuses vorgesehen.
Insbesondere können die Lichtquelle und/oder der optische Detektor und/oder der optische Referenzdetektor an derartigen Abschnitten angeordnet und/oder fixiert sein, beispielsweise verklebt und/oder verschweißt sein, sodass Schwankungen beziehungsweise Unsicherheiten im Zusammenhang mit der Einkopplung und im Zusammenhang mit der Auskopplung von Licht beziehungsweise Referenzlicht in das beziehungsweise aus dem Gehäuse minimiert werden können.
Weisen derartige Abschnitte des Gehäuses, die sich in Ausbreitungsrichtung des Lichts insbesondere verjüngen und/oder aufweiten und eine Fokussierung oder Kollimierung des Lichts bewirken, eine Mindesterstreckung in Ausbreitungsrichtung des Lichts, wie beispielsweise 5mm oder sogar 15mm auf, so bewirken sie neben einer Reduktion der Divergenz beziehungsweise neben einer Erhöhung der Konvergenz des Lichts auch einer thermische Entkopplung der elektronischen Komponenten wie beispielsweise der Lichtquelle und/oder dem optischen Detektor und/oder dem optischen Referenzdetektor von dem Messgasraum beziehungsweise der Messgaskammer, sowie eine Mischung und Homogenisierung des Lichts hinsichtlich seiner räumlichen Anteile.
Gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lichtquelle und der optische Detektor auf einer gleichen Seite des Gehäuses an dem Gehäuse angeordnet und/oder fixiert sind. Eine gleiche Seite des Gehäuses ist im Rahmen der Erfindung insbesondere ein Halbraum der durch eine tangentiale Fortsetzung einer Seitenfläche des Gehäuses von dem Halbraum getrennt ist, in dem sich das Gehäuse befindet. Durch diese Maßnahme können elektrische Anschlüsse des Sensors an lediglich dieser Seite des Sensors vorgesehen werden, was die Integration des Sensors in ein Zielsystem vereinfacht.
Gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Teil der Emission der Lichtquelle als Referenzlicht verwendet wird, das ohne Wechselwirkung mit dem Messgas von dem Gehäuse zu einem optischen Referenzdetektor geleitet wird. Hinsichtlich der Leitung von Referenzlicht durch das Gehäuse gilt insbesondere sinngemäß das oben zur Leitung von Licht durch das Gehäuse Erläuterte. Die Maßnahme hat den Vorteil, dass durch den optischen Detektor erhaltbare Signale daraufhin bewertbar werden, ob sie mit der Konzentration des Bestandteils des Messgases korreliert sind oder nicht, also beispielsweise auf Schwankungen der Leistung der Lichtquelle oder auf mechanische Verformungen des Gehäuses, beispielsweise durch Wärmeausdehnung, zurückgehen, denn während Änderungen der Konzentration des Bestandteils des Messgases, lediglich Signalanteile in dem Ausgangssignal des optischen Detektors erzeugen, nicht aber in dem Ausgangssignal des optischen Referenzdetektors, bewirken beispielsweise Helligkeitsschwankungen der Lichtquelle oder Verformungen des Gehäuses korrelierte Signalanteile im Ausgangssignal des optischen Detektors und im Ausgangssignal des optischen Referenzdetektors zugleich.
Eine Bewertung der Ausgangssignale des optischen Detektors und des optischen Referenzdetektors mit dem Ziel, die Konzentration des Bestandteils des Messgases möglichst präzise zu bestimmen, ist mit aus dem Stand der Technik an sich bekannten Methoden möglich. Beispielsweise kann die Differenz oder der Quotient der Ausgangssignale des optischen Detektors und des optischen Referenzdetektors gebildet werden. Weiterhin kann beispielsweise das Lambert-Beersche Gesetz zugrunde gelegt werden.
Gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass der optische Detektor und der optische Referenzdetektor und optional auch die Lichtquelle auf einer gleichen Seite des Gehäuses an dem Gehäuse angeordnet und/oder fixiert sind. Eine gleiche Seite des Gehäuses ist im Rahmen der Erfindung insbesondere ein Halbraum der durch eine tangentiale Fortsetzung einer Seitenfläche des Gehäuses von dem Halbraum getrennt ist, in dem sich das Gehäuse befindet. Durch diese Maßnahme können elektrische Anschlüsse des Sensors an lediglich dieser Seite des Sensors vorgesehen werden, was die Integration des Sensors in ein Zielsystem vereinfacht.
Um durch den optischen Detektor erhaltbare Signale umfassend daraufhin bewerten zu können, ob sie mit der Konzentration des Bestandteils des Messgases korreliert sind oder nicht, ist gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung vorgesehen, dass das Licht entlang des Weges von der Lichtquelle zu dem optischen Detektor eine Reflexion an einer Seitenfläche des Gehäuses erfährt, an der auch das Referenzlicht eine Reflexion auf dem Weg von der Lichtquelle zu dem optischen Referenzdetektor erfährt. Schwankt der Grad der Reflexion von Licht an dieser Seitfläche, so führt dies zu korrelierten Anteilen im Ausgangssignal des optischen Detektors und des optischen Referenzdetektors, die, wie oben schon erläutert, als solche erkannt werden können und bei der Bestimmungen der Konzentration des Bestandteils des Messgases unberücksichtigt bleiben können.
Dies gilt besonders gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung, bei denen vorgesehen ist, dass das Licht entlang des Weges von der Lichtquelle zu dem optischen Detektor Umlenkungen seiner Ausbreitungsrichtung an genau den Seitenflächen des Gehäuses erfährt, an denen auch das Referenzlicht Umlenkungen seiner Ausbreitungsrichtung auf dem Weg von der Lichtquelle zu dem optischen Referenzdetektor erfährt.
Gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse in einem der Lichtquelle gegenüberliegenden Endabschnitt verjüngt ist. Derartige sich verjüngende Endabschnitte können beispielsweise als konische Abschnitte ausgeführt sein, beispielsweise als Axikon oder als Reflektor mit der Form eines Kugelabschnitts. An dem verjüngten Endabschnitt kann insbesondere eine Umlenkung des Lichts zurück in Richtung der Lichtquelle erfolgen.
Gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse eine prismatische Grundform aufweist, sodass zwischen den Grundflächen der prismatischen Grundform eine Lichtleitung erfolgt, insbesondere wenn eine Höhe der prismatische Grundform geringer ist als die Erstreckung der prismatische Grundform in den beiden transversalen Richtungen. Auf diese Weise ist in einfach herstellbarer Weise eine effiziente Lichtleitung realisiert. Ferner resultiert aus der prismatische Grundform, dass derartig ausgebildete Gehäuse beziehungsweise Sensoren einfach übereinander gestapelt werden können, insbesondere wenn die Gehäuse beziehungsweise Sensoren durch eine optische Trennschicht voneinander getrennt sind. Sensoren können so modular und flexibel realisiert werden.
Eine derartige Trennschicht kann beispielsweise eine reflektierende und/oder absorbierende Beschichtungen und/oder Folie sein und/oder ein Cladding sein, dessen Brechungsindex kleiner ist als der des Materials des Gehäuses, sodass ein Übertritt von Licht zwischen den aufeinandergestapelten Gehäusen beziehungsweise Sensoren unterbleibt.
Bei der prismatischen Grundform kann es sich beispielsweise um eine rechtwinklige prismatische Grundform handeln, sodass Seitenkanten der prismatischen Grundform senkrecht zu den Grundflächen orientiert sind.
Unter einer Grundform des Gehäuses ist im Rahmen der Anmeldung insbesondere eine Form des Gehäuses zu verstehen, die das Gehäuse tatsächlich hat, oder von der die Form des Gehäuses nur geringfügig und/oder höchstens im Bereich einer Dichtscheibe abweicht.
In Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Grundfläche der prismatischen Grundform ein Loch aufweist, sodass durch das Gehäuse der Messraum in den beiden transversalen Richtungen zu einer Messkammer begrenzt wird.
Der Sensor kann weiterhin integriert und damit kompaktifiziert und/oder simplifiziert werden, indem an das Gehäuse ein Gasanschluss einstückig angeformt ist, durch den Messgas in den Messraum gelangen kann.
Durch eine insbesondere vorgesehene zylindrische Symmetrie des Sensors oder zumindest des Gehäuses ist der Sensor ohne Rücksicht auf seine diesbezügliche Orientierung in einem Zielsystem montierbar.
Zusätzlich oder alternativ kann, jeweils weiter vereinfachend, vorgesehen sein, dass die Lichtquelle zwischen dem optischen Detektor und dem Gehäuse angeordnet ist und/oder die Lichtquelle und der optische Detektor auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind.
Gemäß einer zusätzlichen oder alternativen Weiterbildung kann vorgesehen sein, die Lichtquelle und/oder das Gehäuse und/oder den optischen Detektor und/oder den optischen Referenzdetektor an einen oder mehrere aktive und/oder passive Temperaturregler und/oder an ein oder mehrere Kühlelemente thermisch zu koppeln. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Regler handeln, der ein Thermoelement und/oder ein Peltier-Element und/oder eine Wasserkühlung umfasst.
Derartige Einrichtungen sind insbesondere in Sensoren, die auf Absorptionsspektroskopie beruhen und/oder zur Verwendung im Zusammenhang mit Abgasen von Vorteil, da sie die zuverlässige und präzise Funktion von temperaturempfindlichen Elementen, wie zum Beispiel Leuchtdioden oder Photodetektoren, auch in Umgebungen mit hoher Wärmeentwicklung beziehungsweise starken Temperaturschwankungen, gewährleisten.
Ferner kann durch die Regelung beziehungsweise Stabilisierung der Temperatur von Elementen wie Leuchtdioden und/oder Photodetektoren, welche beispielsweise an unterschiedlichen Orten im Sensor vorgesehen sind und potentiell unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind, eine definierte spektrale Emission beziehungsweise Empfindlichkeit sichergestellt werden und damit die Temperaturabhängigkeit der Messung eliminiert beziehungsweise reduziert werden.
Es ist stets möglich die Oberflächen des Gehäuses, die nicht von Licht und/oder Referenzlicht durchleuchtet werden sollen, mit einem Cladding zu versehen, das die Robustheit des Gehäuses weiter erhöht.
Der erfindungsgemäße Sensor kann als Abgassensor verwendet werden, aber selbstredend auch als Sensor zur Erkennung von Bränden, zur Messung von Stoffen in Atemgas oder in Flüssigkeiten, in der Werkstattanalytik und/oder dergleichen.
Figurenliste

Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die 2a und 2b zeigen vergrößert die optischen Komponenten des Sensors aus 1.
Die 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die 4 zeigt eine Variante der vorangehenden Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die 5a und 5b z eigen zwei Varianten eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Ausführungsformen
Die 1 und 2a zeigen ein Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors 1 zur optischen Messung von zumindest einer Konzentration eines Bestandteils eines Messgases, insbesondere zur optischen Messung der Konzentration eines Bestandteils im Abgas eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine. Der optische Sensor 1 weist ein poröses Schutzrohr 30 auf, das einen Schutz beispielsweise vor festen Abgasbestandteilen, wie beispielsweise Ruß, und/oder vor flüssigen Abgasbestandteilen, wie beispielsweise Kondenswasser, bewirkt, und das mit den Montagemitteln Außengewinde 41 und Außensechskant 42 fest verbunden ist. In dem porösen Schutzrohr 30 ist ein Optiksystem 2 mit einer als UV-Leuchtdiode ausgeführten Lichtquelle 20, mit einer Messkammer 22', mit einem als Photodiode ausgebildeten optischen Detektor 24 und mit einem aus einem optisch transparenten Material gefertigten Gehäuse 10, welches Licht 201 von der Lichtquelle 20 zu der Messkammer 22' und von dem der Messkammer 22' zu dem optischen Detektor 24 leitet, aufgenommen. Messgas tritt durch das poröse Schutzrohr 30 in die Messkammer 22' ein, wie in der 1 durch den mit dem Bezugszeichen 200 versehenen Pfeil dargestellt ist.
Das Gehäuse 10 ist einstückig und besteht aus Quarzglas oder einem anderen optisch transparenten, hitzebeständigen Material. Es leitet das Licht 201 ausgehend von der mit dem Gehäuse 10 stoffschlüssig verbundenen Lichtquelle 20 über die in dem Gehäuse 10 ausgebildete Messkammer 22' zu dem mit dem Gehäuse 10 stoffschlüssig verbundenen optischen Detektor 24. Dabei wird das Licht 201 lediglich durch das einstückige Gehäuse 10 von der Lichtquelle 20 zu dem optische Detektor 24 geleitet, es gibt also keine weiteren optische Komponenten zur Lichtleitung, wie etwa weitere Spiegel, Fenster, Fasern oder dergleichen.
Das Gehäuse 10 weist eine prismatische Grundform auf, sodass zwischen den Grundflächen der prismatischen Grundform eine Lichtleitung erfolgt. Die Grundfläche der prismatischen Grundform weist ein Loch 221 auf, sodass durch das Gehäuse 20 die Messkammer 22' in den beiden transversalen Richtungen begrenzt wird.
Das Licht 201 wird ausgehend von Lichtquelle 20 durch einen sich in Ausbreitungsrichtung des Lichts 201 aufweitenden Abschnitt 108, der eine Kollimierung des Lichts bewirkt, zu der Messkammer 22' geleitet und von dort zu einem der Lichtquelle 10 gegenüberliegenden Endabschnitt 107 des Gehäuses 10 geleitet, in dem das Gehäuse verjüngt ist. An zwei schrägen Seitenflächen 105 des Gehäuses 10 erfolgt eine Reflexion und Umlenkung des Lichts 201 zurück in Richtung der Messkammer 22' und der Lichtquelle 20.
Nach einem zweiten Durchgang des Lichts 201 durch die Messkammer 22' wird das Licht 201 von dem Gehäuse 10 zu dem optischen Detektor 24 geleitet, der an einem in Ausbreitungsrichtung des Lichts 201 verjüngenden Abschnitt 109 des Gehäuses 10 fixiert ist, und eine Fokussierung des Lichts 201 auf den optische Detektor 24 bewirkt.
Neben dem optischen Detektor 24 ist ein optischer Referenzdetektor 26 angeordnet. Die Lichtquelle 20 emittiert von dem Licht 201 räumlich getrennt Referenzlicht 202, dessen optische Leistung zu der optischen Leistung des Lichts 201, beispielsweise bauartbedingt, in einem festen Verhältnis steht, beispielsweise gleich groß ist.
Das Referenzlicht 202 wird auch ausgehend von der Lichtquelle 20 durch den sich in Ausbreitungsrichtung des Lichts 201 beziehungsweise des Referenzlichts 202 aufweitenden Abschnitt 108, kollimiert. Es tritt aber nicht in die Messkammer 22' ein, sondern wird in dem Gehäuse 10 an der Messkammer 22' vorbei zu dem der Lichtquelle 10 gegenüberliegenden Endabschnitt 107 des Gehäuses 10, in dem das Gehäuse 10 verjüngt ist, geführt. Dort wird es, ebenso wie oben für das Licht 201 beschrieben, an den zwei schrägen Seitenflächen 105 des Gehäuses 10 reflektiert und zurück in Richtung der Lichtquelle 20 umgelenkt. Auch auf dem Rückweg wird das Referenzlichts 202 in dem Gehäuse 10 an der Messkammer 22' vorbei geführt. Nachfolgend wird es zu dem optischen Referenzdetektor 26 geleitet, der an einem weiteren in Ausbreitungsrichtung des Lichts 201 verjüngenden Abschnitt 109' des Gehäuses 10 fixiert ist, und eine Fokussierung des Referenzlichts 202 auf den optischen Referenzdetektor 26 bewirkt.
Die Oberflächen des Gehäuses 10 können optional Beschichtungen 301 - 308 aufweisen, siehe 2b. Beispielsweise können reflektierende Beschichtungen 301, 302, 303, 304 an Oberflächen des Gehäuses 10 vorgesehen sein, an denen ein Austritt von Licht 201 aus dem Gehäuse 10 unerwünscht ist, beispielsweise an den Seitenflächen der prismatischen Grundform. Beispielsweise können absorbierende Beschichtungen 307, 308 auf den Grundflächen der prismatischen Grundform vorgesehen sein und so einen Austritt von Licht 201 oder Referenzlicht 202 aus dem Gehäuse 10 unterdrücken oder auf den nicht von Licht 201 durchstrahlten Seitenwänden der Messkammer 22' angeordnet sein, um einen Eintritt von Referenzlicht 202 in die Messkammer 22' zu unterdrücken. Beispielsweise können Reflexionen vermindernde Schichten 305 auf den von Licht 201 durchstrahlten Seitenwänden der Messkammer 22' angeordnet sein, um diese Durchstrahlung zu optimieren. Beispielsweise kann die der Lichtquelle 20 zugewandte Seitenfläche 306 des Gehäuses 10 im Vergleich zu mindestens einer anderen Außenfläche des Gehäuses 10 aufgeraut sein, um eine homogenere Lichtverteilung im Gehäuse 10 zu bewirken.
Alternativ zu den Beschichtungen 301, 302, 303, 304, 307 und 308 oder zusätzlich zu den Beschichtungen 301, 302, 303, 304, 307 und 308, außen auf dem Gehäuse 10, kann ein (nicht gezeichnetes) Cladding vorgesehen sein, das die Robustheit des Gehäuses weiter erhöht.
Es ist auch möglich, an der Seitenfläche 306 eine optisch und/oder spektral filternde Beschichtung vorzusehen, die sicherstellt, dass die Wellenlänge des in das Gehäuse 10 eingeleiteten Licht 201 beziehungsweise Referenzlicht 202 weitgehend konstant ist und für Absorptionsmessungen mit hoher Genauigkeit verwendet werden kann.
Eine Dichtscheibe 51 ist an dem prismatischen Grundkörper des Gehäuses 10 einstückig angeformt. Die Dichtscheibe fixiert zum einen das Gehäuse 10 in dem Schutzrohr 30. Zum anderen trennt es den mit dem Messgas kommunizierenden Bereich des Sensors 1 von einem Bereich, in dem die Lichtquelle 20, der optische Detektor 24 und der optische Referenzdetektor 26 angeordnet sind.
3 zeigt einen Sensorstapel 111, der drei aufeinander gestapelte Optiksysteme 2, 2', 2" wie sie mit Bezug auf die 2a und 2b oben beschrieben sind, aufweist.
Die Gehäuse 10, 10', 10" der einzelnen Optiksysteme 2, 2', 2" sind so übereinander gestapelt, dass sich eine durchgängige Messkammer 22' ergibt. Zwischen den einzelnen Optiksystemen 2, 2', 2" beziehungsweise Gehäusen 10, 10', 10" sind Trennschichten 15, 15' vorgesehen. Die Trennschichten 15, 15' können beispielsweise reflektierende und/oder absorbierende Beschichtungen und/oder Folien sein und/oder Claddings, deren Brechungsindizes kleiner sind als der des Materials des Gehäuses 10, also im Beispiel kleiner als der von Quarzglas, sodass ein Übertritt von Licht 201 und/oder Referenzlicht 202 zwischen den aufeinandergestapelten Gehäusen 10, 10', 10" unterbleibt.
Die drei in der Figur gezeigten Lichtquellen 20, 20', 20" können beispielsweise UV-Leuchtdioden sein, von denen eine erste Licht der Wellenlänge 217nm, von denen eine zweite Licht der Wellenlänge 227nm und von denen eine dritte Licht der Wellenlänge 403nm emittiert. Solch ein Sensorstapel kann demnach zur gleichzeitigen und voneinander unbeeinflussten Messung der Konzentrationen der Stoffe NH₃, NO und NO₂ im Abgas einer Brennkraftmaschine verwendet werden.
Der in der 3 gezeigte Sensorstapel 111 kann selbstverständlich, mit den in der 1 dargestellten Komponenten poröses Schutzrohr 30, Außengewinde 41, Außensechskant 42 und Dichtscheibe 51 so wie es dort gezeigt ist, weitergebildet werden und beispielsweise in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, zum Beispiel in einer Einrichtung zur Abgasnachbehandlung, montiert werden.
Es ist auch möglich, den Sensorstapel 111 an den nicht zur Ein- oder Auskopplung von Licht 201 und/oder Referenzlicht 202 vorgesehenen Oberflächen mit einem Cladding zu versehen.
4 zeigt die Weiterbildung durch einen an das Gehäuse 10 einstückig angeformten Gasanschlusses 17, durch den Messgas in den Messraum 22 gelangen kann. Eine derartige Weiterbildung ist sowohl bei dem in den 1 und 2 gezeigten Sensor 1 möglich, als auch bei dem in der 3 gezeigten Sensorstapel 111.
Die 5a zeigt eine erste Variante eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung. Es weist ein Optiksystem 2 mit einer als UV-Leuchtdiode ausgeführten Lichtquelle 20, mit einem Messraum 22, mit einem als Photodiode ausgebildeten optischen Detektor 24 und mit einem aus einem optisch transparenten Material gefertigten Gehäuse 10, welches Licht 201 von der Lichtquelle 20 zu dem Messraum 22 und von dem Messraum 22 zu dem optischen Detektor 24 leitet, auf.
Das Gehäuse 10 ist einstückig, weist eine zylindrische Symmetrie auf und besteht aus Quarzglas oder einem anderen optisch transparenten, hitzebeständigen Material. Es leitet das Licht 201 ausgehend von der mit dem Gehäuse 10 stoffschlüssig verbundenen Lichtquelle 20 zu einem auf der gegenüberliegenden Seite einstückig an das Gehäuse 10 angeformten Axikon 115, an dem das Licht umgelenkt wird. Nach Durchgang durch den Messraum 22, der zwischen dem Axikon 115, dem zentralen Teil des Gehäuses 10 und der Dichtscheibe 51 angeordnet ist, gelangt das Licht 201 zu dem mit dem Gehäuse 10 stoffschlüssig verbundenen optischen Detektor 24.
Das Licht 201 wird wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen lediglich durch das Gehäuse 10, also ohne weitere optische Komponenten von der Lichtquelle 20 zu dem optischen Detektor 24 geleitet.
Zwischen dem optischen Detektor 24 und der Lichtquelle 20 ist ferner ein optischer Referenzdetektor 26 angeordnet. Die Lichtquelle 20 emittiert von dem Licht 201 räumlich getrennt Referenzlicht 202, dessen optische Leistung zu der optischen Leistung des Lichts 201, beispielsweise bauartbedingt, in einem festen Verhältnis steht, beispielsweise gleich groß ist.
Das Referenzlicht 202 wird auch ausgehend von der Lichtquelle 20 zu dem an das Gehäuse 10 angeformten Axikon 115 geleitet und dort auch umgelenkt. Es gelangt jedoch nachfolgend nicht zu dem Messraum 22, sondern wird in dem zentralen Teil des Gehäuses 10 zu dem optischen Referenzdetektor 24 geleitet.
Der optische Detektor 24, der Referenzdetektor 26 und die Lichtquelle 20 sind übereinander angeordnet und an einander und an dem Gehäuse 10 fixiert. Sie weisen zusammen mit dem Gehäuse 10 eine zylindrische Symmetrie auf.
In einer nicht dargestellten Variante wäre es auch möglich, dass der optische Detektor 24, der Referenzdetektor 26 und die Lichtquelle 20 nicht übereinander, sondern nebeneinander auf der Platine 70 angeordnet sind. Sie können beispielsweise gemeinsam auf der Platine 70 prozessiert sein.
Der in der 5a gezeigte Sensor 1 kann selbstverständlich mit den in der 1 dargestellten Komponenten poröses Schutzrohr 30, Außengewinde 41, Außensechskant 42 und Dichtscheibe 51 weitergebildet und beispielsweise in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine montiert werden.
Die in der 5b gezeigte zweite Variante unterscheidet sich von der in der 5a gezeigten Variante dadurch, dass an Stelle des an das Gehäuse 10 einstückig angeformten Axikons 115 ein an das Gehäuse 10 einstückig angeformter gewölbter Spiegel 116 tritt.
Auch bei den in den 5a und 5b gezeigten Varianten ist es möglich, das Gehäuse 10 an den nicht zur Ein- oder Auskopplung von Licht 201 und/oder Referenzlicht 202 vorgesehenen Oberflächen mit einem Cladding zu versehen.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Gehäuseformen beschränkt; vielmehr kann die Form des Gehäuses 10 an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Es ist in allen Ausführungsbeispielen möglich, eine Lichtquelle 20 zu verwenden, die mehrere Lichtquellen 20 umfasst, welche Licht 201 beziehungsweise Referenzlicht 202 mit zueinander unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, beispielsweise ein Leuchtdiodenarray, das drei Leuchtdioden beispielsweise auf einem einzigen strukturierten Wafer umfasst, von denen eine erste beispielsweise Licht der Wellenlänge 217nm emittiert, von denen beispielsweise eine zweite Licht der Wellenlänge 227nm emittiert und von denen eine dritte beispielsweise Licht der Wellenlänge 403nm emittiert. Selbst wenn nur ein einziger optischer Detektor 24 und optional ein einziger optischer Referenzdetektor 26 vorgesehen ist, ist es in diesem Beispiel möglich, in sequentiell ausgeführten Messungen die Konzentrationen der Stoffe NH₃, NO und NO₂ im Abgas einer Brennkraftmaschine mit hoher zeitlicher Auflösung zu messen.
In allen Ausführungsbeispielen kann es in dem Fachmann an sich bekannter Art und Weise vorgesehen sein, die Lichtquelle 20 und/oder das Gehäuse 10 und/oder den optischen Detektor 24 und/oder der optischen Referenzdetektor 26 an einen oder mehrere aktive und/oder passive Temperaturregler und/oder an ein oder mehrere Kühlelemente thermisch zu koppeln. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Regler handeln, der ein Thermoelement und Peltier-Element aufweist, und/oder um eine Wasserkühlung handeln und/oder um einen Regler, der eine Wasserkühlung umfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008044171 A1 [0001]

Claims

Optischer Sensor zur optischen Messung von zumindest einer Konzentration eines Bestandteils einer Flüssigkeit oder eines Messgases, insbesondere zur optischen Messung der Konzentration eines Bestandteils im Abgas eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine, mit einer Lichtquelle (20), mit einem Messraum (22), mit einem optischen Detektor (24) und mit einem aus einem optisch transparenten Material gefertigten Gehäuse (10), welches Licht (201) von der Lichtquelle (20) zu dem Messraum (22) und von dem Messraum (22) zu dem optischen Detektor (24) leitet.
Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) einstückig aus dem optisch transparenten Material gefertigt ist und das Licht (201) von der Lichtquelle (20) über den Messraum (22) zu dem optischen Detektor (24) lediglich durch das Gehäuse (10) geleitet wird.
Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht (201) im Inneren des Gehäuses (10) zumindest eine Reflexion erfährt, die insbesondere die Ausbreitungsrichtung des Lichts (201) beeinflusst und/oder die insbesondere eine Strahlform des Lichts (201) transversal zu seiner Ausbreitungsrichtung beeinflusst.
Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Gehäuse (20) eine oder mehrere Beschichtungen (301 - 308) vorgesehen sind, deren Wechselwirkung mit Licht (201, 202) zu dessen Absorption und/oder zu dessen Reflexion und/oder zu dessen Streuung und/oder zu dessen Filterung führt.
Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (20) und der optische Detektor (24) auf einer gleichen Seite (101) des Gehäuses (10) angeordnet sind, insbesondere fixiert sind.
Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) Referenzlicht (202) von der Lichtquelle (20) ohne Wechselwirkung mit dem Messgas zu einem optischen Referenzdetektor (26) leitet.
Optischer Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Detektor (24) und der Referenzdetektor (26), und insbesondere auch die Lichtquelle (20), auf einer gleichen Seite (101) des Gehäuses (10) angeordnet sind, insbesondere fixiert sind.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht (201) entlang des Weges von der Lichtquelle (20) zu dem optischen Detektor (24) eine Reflexion an einer Seitenfläche (105) des Gehäuses erfährt, an der auch das Referenzlicht (202) eine Reflexion auf dem Weg von der Lichtquelle (20) zu dem optischen Referenzdetektor (26) erfährt, insbesondere dass das Licht entlang des Weges von der Lichtquelle (20) zu dem optischen Detektor (24) Umlenkungen seiner Ausbreitungsrichtung an genau den Seitenflächen (105) des Gehäuses (10) erfährt, an denen auch das Referenzlicht (202) Umlenkungen seiner Ausbreitungsrichtung auf dem Weg von der Lichtquelle (20) zu dem optischen Referenzdetektor (26) erfährt.
Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) in einem der Lichtquelle (20) gegenüberliegenden Endabschnitt (107) verjüngt ist, sodass dort eine Umlenkung des Lichts (201) zurück in Richtung der Lichtquelle (20) erfolgt.
Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) eine prismatische Grundform aufweist, sodass zwischen den Grundflächen der prismatischen Grundform eine Lichtleitung erfolgt, und die Grundfläche der prismatischen Grundform ein Loch (221) aufweist, sodass durch das Gehäuse (20) der Messraum (22) in den beiden transversalen Richtungen zu einer Messkammer (22') begrenzt wird.
Optischer Sensor, ausgebildet als Sensorstapel (111), umfassend mindestens zwei optische Sensoren (1, 1') nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuse (10, 10') dieser mindestens zwei optischen Sensoren (1, 1') übereinandergestapelt und durch eine optische Trennschicht (15) voneinander getrennt sind.
Optischer Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an das Gehäuse (10) ein Gasanschluss (17, 17') angeformt ist, durch den Messgas in den Messraum (22) hinein und/oder aus dem Messraum (22) heraus gelangen kann.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) oder der optische Sensor (1) eine zylindrische Symmetrie aufweist.
Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (20) zwischen dem optischen Detektor (24) und dem Gehäuse (10) angeordnet ist.
Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (20) und der optische Detektor (24) auf einer gemeinsamen Platine (70) angeordnet sind.