DE102018217787A1

DE102018217787A1 - Optischer Sensor zur Detektion eines Gases sowie Fahrzeug mit einem solchen Sensor

Info

Publication number: DE102018217787A1
Application number: DE102018217787.2A
Authority: DE
Inventors: Zoran Dijnovic; Branislav Zlatkov; Oliver Topic; Alexander Vogel; Aleksandar Licinovic
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-10-17
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2020-04-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor (10) zur Detektion eines Gases. Der Sensor (20) weist als Messzelle (20) eine gewickelte Mikrokapillare (21) mit einem Hohlraum (21.2) auf, in den sowohl das Messgas als auch eine elektromagnetische Strahlung eingekoppelt werden. Die Detektion einer Gaskomponente erfolgt über die Erfassung der Absorption. Der Sensor (10) ist insbesondere für den Einsatz im verbrennungsmotorischen Abgastrakt von Fahrzeugen geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Detektion eines Gases oder Gasgemischs sowie ein verbrennungsmotorisches Fahrzeug, das einen solchen Sensor in seiner Abgasanlage umfasst.
Sensoren zur Detektion von Gasen sind in verschiedenen Ausführungen, die auf unterschiedlichen Messprinzipien basieren, bekannt. In Abgasanlagen von Fahrzeugen werden Festelektrolytsensoren eingesetzt, deren Messprinzip auf Ionenleitung beruht. Diese Sensoren weisen einen komplexen Schichtaufbau auf, umfassend Keramikschichten, Elektroden und Heizelemente. In diesen Festelektrolytsensoren kommt es an den Platinelektroden zu elektrochemischen Reaktionen und Stoffströmen, insbesondere von Diffusion von Sauerstoff durch ZrO₂-Schichten. Die hierdurch verursachten Stromänderungen werden als Sensorsignal ausgegeben und in die Gaskonzentration umgerechnet. Die Festelektrolytsensoren benötigen Edelmetalle, wie Platin oder Rhodium und sind vergleichsweise teuer in ihrer Herstellung. Zudem benötigen sie hohe Arbeitstemperaturen und sind anfällig gegen Temperaturschocks und gegenüber Wassertropfen im Abgas. Schließlich erlauben diese Sensoren nur die Messung von wenigen Gaskomponenten, nämlich NO, NH₃ und O₂.
Andere Abgassensoren, die beispielsweise in Gasthermen Einsatz finden, beruhen auf Widerstandsänderungen.
EP 2 287 591 A2 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Bestimmung der Konzentration von NO₂ beispielsweise in Abgasen von Dieselmotoren. Dabei wird Licht einer Lichtquelle so geführt, dass es das zu untersuchende Gas durchsetzt, die durchgehende Strahlung auf einen Filter mit variabler Transmissionswellenlänge fokussiert und das abgeschwächte Licht wird in Transmission gemessen und ausgewertet.
DE 40 37 431 A1 beschreibt einen optischen Sensor für die Detektion von Gaskomponenten, beispielsweise CO₂ in der Luft. Der Sensor umfasst ein Substrat, auf dem ein Lichtwellenleiter verläuft, eine darauf angeordnete dielektrische Zwischenschicht sowie eine darauf angeordnete sensitive Schicht aus Heteropolysiloxan (HPS), welches in der Lage ist, mit dem Zielmolekül zu interagieren. Der Lichtwellenleiter ist nach seiner Einkopplungsstelle zunächst einbahnig geführt, spaltet sich im weiteren Verlauf in zwei parallele Zweige (Mess- und Referenzzweig) auf, ehe er wieder zusammengeführt wird. Im Messzweig ist ein sensitiver Bereich vorgesehen, in dem keine Zwischenschicht vorhanden ist und die sensitive H PS-Schicht somit in direktem Kontakt mit dem Lichtwellenleiter steht. Das zu detektierende Gasmolekül adsorbiert an der HPS-Schicht und beeinflusst ihre optischen Eigenschaften, insbesondere ihren Brechungsindex und Absorptionskoeffizienten. Innerhalb des sensitiven Bereichs des Messzweigs erstreckt sich der evaneszente Feldanteil des durch den Lichtwellenleiter geführten Lichts in die HPS-Schicht hinein, sodass die Phasengeschwindigkeit des Lichts in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften der HPS-Schicht beeinflusst wird. An dem Zusammenführungspunkt von Mess- und Referenzzweig interferieren die Lichtanteile aus den beiden Leitern, sodass der Phasenunterschied in eine Intensitätsänderung umgewandelt wird. Diese wird von einem nachgeschalteten Photodetektor erfasst.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Sensor für die qualitative und bevorzugt auch quantitative Detektion von Gaskomponenten bereitzustellen, der die genannten Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise überwindet. Der Sensor sollte insbesondere einfach und kostengünstig aufgebaut sein, in aggressiven Umgebungen wie verbrennungsmotorischen Abgasanlagen einsetzbar sein und zuverlässige Messergebnisse liefern. Idealerweise sollte der Sensor für unterschiedliche Gaskomponenten sensitiv sein, das heißt, mehrere Komponenten eines Gasgemischs qualitativ und bevorzugt auch quantitativ nebeneinander messen können.
Die Aufgaben werden ganz oder zumindest teilweise durch einen optischen Sensor, einer Messvorrichtung mit einem solchen sowie ein Fahrzeug mit einem solchen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Der erfindungsgemäße optische Sensor zur Detektion eines Gases umfasst eine gewickelte Mikrokapillare, die eine Kapillarwand aufweist, welche einen Hohlraum umschließt. Die Mikrokapillare ist ausgebildet, ein Austreten von elektromagnetischer Strahlung, die im Inneren der Kapillare fließt, zu unterdrücken, also zumindest entgegenzuwirken oder gänzlich zu verhindern. Ferner ist an einem ersten Ende der Mikrokapillare ein Gaseinlass und an einem zweiten Ende der Mikrokapillare ein Gasauslass angeordnet, sodass der Hohlraum mit dem zu messenden Gas befüllbar und/oder von einem solchen durchströmbar ist. Der Sensor umfasst ferner eine optische Einkopplungsstelle, die ausgebildet ist, eine elektromagnetische Strahlung in den Hohlraum der Mikrokapillare einzukoppeln, und eine optische Auskopplungsstelle, die ausgebildet ist, die elektromagnetische Strahlung aus der Mikrokapillare auszukoppeln. Hierbei können die optische Ein- und die Auskopplungsstelle gemeinsam an dem ersten oder zweiten Ende der Mikrokapillare oder separat voneinander an den gegenüberliegenden Enden der Mikrokapillare ausgebildet sein.
Ein in dieser Art ausgestalteter Sensor stellt somit eine Messzelle oder Küvette bereit, die mit dem zu vermessenden Gas oder Gasgemisch befüllt werden kann und die Detektion des Gases über die Abschwächung der Strahlungsintensität aufgrund von Absorption durch die Gasmoleküle erlaubt. Dabei lässt der Energiebereich (Spektralbereich) der Absorption einen Rückschluss auf die Art des Gases zu, also eine qualitative Bestimmung, während die Stärke der Absorption eine Aussage über die Konzentration des jeweiligen Gases erlaubt, also eine quantitative Bestimmung. Erfindungsgemäß strömen sowohl das zu vermessende Gas als auch die Messstrahlung durch die Mikrokapillare innerhalb ihres Hohlraumes. Durch die Ausführung der Messzelle in Form einer gewickelten Kapillare wird ein besonders langer Lichtweg innerhalb des Gases und damit gemäß dem Lambert-Beer'schen-Gesetz eine besonders starke Extinktion ermöglicht. Hierdurch wird die Messgenauigkeit sehr hoch, sodass sich auch Gase in geringen Konzentrationen zuverlässig nachweisen lassen.
Vorzugsweise ist auf einer Innenseite oder Außenseite der Kapillarwand, jeweils dem Hohlraum zugewandt, eine reflektierende Oberfläche vorhanden. Der Begriff „reflektierende Oberfläche“ ist im Rahmen der Erfindung breit zu verstehen und umfasst sämtliche Konstellationen, die ein Austreten der elektromagnetischen Strahlung aus der Mikrokapillare verhindern oder zumindest gering halten. Insbesondere wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter einer reflektierenden Oberfläche eine Oberfläche verstanden, bei der mindestens 90 %, vorzugsweise mindesten 95 %, der orthogonal auf die Oberfläche treffenden Strahlung zurückgeworfen werden. Da der Reflexionsgrad abhängig von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, bezieht sich dieses Verständnis auf die entsprechende hier eingesetzte elektromagnetische Strahlung. Die reflektierende Oberfläche kann einerseits eine für die jeweilige elektromagnetische Strahlung undurchlässige, spiegelnde Oberfläche umfassen, die insbesondere eine niedrige Rauheit aufweist (Rauheit < ½ λ). Beispielsweise kann die spiegelnde Oberfläche aus einer metallischen Schicht bestehen, wobei die Art des Metalls von dem Spektralbereich der verwendeten Strahlung abhängt. Eine solche spiegelnde Oberfläche kann auf der Innenseite der Kapillarwand oder, bei transparentem Kapillarmaterial, auf der Außenseite der Kapillarwand angeordnet sein, wobei die reflektierende Oberfläche jeweils dem Hohlraum zugewandt ist. Die reflektierende Oberfläche kann aber auch eine auf der Außenseite der Kapillare angeordnete Materialschicht umfassen, deren Brechungsindex kleiner als die des Materials der in diesem Fall transparenten Kapillarwand ist, sodass es an der Grenzfläche zwischen Kapillarwand und äußerer Materialschicht zu einer Totalreflexion kommt.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung umfasst der optische Sensor ferner einen Trägerkern, um welchen die Mikrokapillare gewickelt ist. Auf diese Weise wird die Wicklung der Mikrokapillare stabilisiert. Beispielsweise ist der Trägerkern zylindrisch ausgebildet, wobei die Mikrokapillare spiralförmig um den Zylinder gewickelt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die optische Einkopplungsstelle und Auskopplungsstelle gemeinsam an einem der beiden Enden der Mikrokapillare ausgebildet. Dabei ist an dem gegenüberliegenden Ende der Mikrokapillare ein Spiegel angeordnet, der die auftreffende elektromagnetische Strahlung in Richtung der Einkopplungsstelle zurück reflektiert. Mit anderen Worten durchsetzt die eingekoppelte Strahlung die Mikrokapillare von der Einkopplungsstelle bis zum Spiegel und strömt von dort in entgegengesetzter Richtung zurück zur Einkopplungsstelle, wo sie aus der Mikrokapillare ausgekoppelt wird. Vorteil dieser Ausführung ist, dass die Weglänge der Strahlung im Messgas verdoppelt wird und damit die Sensorempfindlichkeit noch weiter erhöht wird. Bevorzugt sind hier die Einkopplungsstelle und die Auskopplungsstelle als ein einziges Bauteil ausgebildet.
Der optische Sensor umfasst ferner bevorzugt eine Lichtquelle zur Emission der elektromagnetischen Strahlung, wobei die Strahlung über einen Lichtleiter mit der optischen Einkopplungsstelle verbunden ist. Die Lichtquelle kann eine polychromatische oder monochromatische Lichtquelle sein. Vorzugsweise ist sie als polychromatische Lichtquelle ausgebildet, das heißt, sie emittiert Licht über einen gewissen Wellenlängenbereich, wodurch die Detektion mehrerer Gaskomponenten ermöglicht wird. Der emittierte Spektralbereich, das heißt die Energie der emittierten Strahlung, ist im Rahmen der Erfindung grundsätzlich nicht beschränkt. Er kann insbesondere ultraviolette Strahlung, visuelle Strahlung sowie Nah- und Fern-Infrarotstrahlung umfassen. Im Rahmen der Erfindung sind besonders bevorzugt der ultraviolette und visuelle Bereich, da in diesem Spektralbereich die Absorption im Gasmolekül durch Elektronenübergänge der Valenzelektronen verursacht wird, die mit vergleichsweise starken Intensitätsänderungen im Absorptionsspektrum einhergehen. Für die Messung von Absorptionsspektren im UV-Vis-Bereich stehen kostengünstige und robuste Detektoren zur Verfügung.
Gemäß vorteilhaften Ausführungen des erfindungsgemäßen Sensors werden die in die Mikrokapillare eingestrahlte elektromagnetische Strahlung und die von dort austretende (abgeschwächte) elektromagnetische Strahlung zumindest abschnittsweise über einen gemeinsamen Lichtleiter geleitet, insbesondere gegenläufig. Hierdurch wird nicht nur Material des Lichtleiters, beispielsweise Glasfaserleiter, eingespart, sondern die Kompaktheit des Sensors erhöht. Diese Ausführung eignet sich besonders vorteilhaft in Kombination mit der gemeinsamen Anordnung von Ein- und Auskopplungsstelle an einem Ende der Mikrokapillare.
Der optische Sensor umfasst bevorzugt ferner zumindest eine für die elektromagnetische Strahlung empfindliche Detektionseinheit zur Umwandlung der elektromagnetischen Strahlung in ein elektrisches Signal, wobei die Detektionseinheit über einen Lichtleiter mit der optischen Auskopplungsstelle verbunden ist. Eine solche Detektionseinheit erlaubt in besonders einfache Weise die Erfassung der eintreffenden abgeschwächten Strahlung. Beispielsweise kann als Detektionseinheit eine Fotodiode eingesetzt werden, die einen Stromfluss proportional zur einfallenden Lichtintensität erzeugt.
Vorzugsweise ist zwischen der Detektionseinheit und der optischen Auskopplungsstelle ein optischer Filter angeordnet, der ausgebildet ist, einen vorbestimmten spektralen Bereich selektiv passieren zu lassen und die übrigen Spektralbereiche auszublenden. Ein solcher Filter wird auch als Bandpassfilter bezeichnet. Der optische Filter erlaubt, dass nur ein solcher Spektralbereich durchgelassen wird, in dem eine charakteristische Absorptionsbande des zu detektierenden Gases vorliegt. Dies ermöglicht den Einsatz unspezifischer Detektionseinheiten, da diese aufgrund des vorgeschalteten optischen Filters ausschließlich mit charakteristischer Strahlung beaufschlagt werden. Sobald eine solche Detektionseinheit eine Intensitätsänderung einfallender Strahlung registriert, muss dieses Ereignis somit durch die Gegenwart einer Gaskomponente verursacht sein, die in diesem Spektralbereich absorbiert. Durch die Kombination mit einem Bandpassfilter ist die nachgeschaltete Detektionseinheit somit, ausgelegt, selektiv eine bestimmte Gaskomponente zu detektieren.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung umfasst der optische Sensor eine Mehrzahl von Detektionseinheiten mit jeweils einem vorgeschalten optischen Filter, wobei letztere ausgebildet sind, unterschiedliche vorbestimmte spektrale Bereiche selektiv passieren zu lassen. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Gaskomponenten in einem Gasgemisch nebeneinander nachweisen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine optische Messeinrichtung zur Detektion eines Gases, umfassend den optischen Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung sowie eine Gaskonditionierungseinheit zur Vorreinigung des dem Sensor zugeführten Gases. Die Gaskonditionierungseinheit kann unterschiedliche Ausführungen aufweisen. Beispielsweise kann sie einen vom Gas durchströmbaren Filter zur Zurückhaltung partikulärer Bestandteile umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann sie bestimmte Gaskomponenten im Wege einer chemischen Reaktion, beispielsweise einer katalysierten Reaktion oder einer Verbrennung aus dem Messgas entfernen oder in eine zu messende Zielverbindung umsetzen.
Abhängig vom Einsatzgebiet kann die optische Messeinrichtung weitere Komponenten umfassen. Beispielsweise kann sie Fördermittel zur Beförderung des Gases in den und aus dem Sensor, Ventile und andere Elemente umfassen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer daran angeschlossenen Abgasanlage mit einem Abgaskanal und mindestens einer darin angeordneten Abgasreinigungskomponente. Erfindungsgemäß ist in dem Abgaskanal mindestens ein optischer Sensor gemäß der Erfindung beziehungsweise eine optische Messeinrichtung gemäß der Erfindung zu der Detektion eines Gases in dem Abgas des Verbrennungsmotors angeordnet. Dabei kann der Sensor beziehungsweise die Messeinrichtung stromauf oder stromab der Abgasreinigungskomponente oder es können mehrere Sensoren oder Messeinrichtungen sowohl stromauf als auch stromab angeordnet sein.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau eines optischen Sensors gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsansicht der Mikrokapillare eines erfindungsgemäßen optischen Sensors;
3 Absorptionsspektren von (a) NO und (b) NO₂;
4 einen schematischen Aufbau einer optischen Messeinrichtung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, und
5 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit optischen Sensoren gemäß der Erfindung.

1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines optischen Sensors gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der insgesamt mit 10 bezeichnete optische Sensor umfasst als grundsätzliche Baugruppe eine Messzelle 20 sowie eine optoelektronische Einheit 30, wobei eine Steuer- und Auswerteeinheit 40 eigenständig oder wie hier in der optoelektronischen Einheit 30 integriert sein kann.
Dabei ist in 1 die Messzelle 20 in einer Schnittdarstellung längs der Wicklung gezeigt. Kernstück der Messzelle 20 ist eine Mikrokapillare 21, die spiralförmig um einen beispielsweise zylindrischen Trägerkern 22 gewickelt ist. Wie 2 veranschaulicht, weist die Mikrokapillare 21 eine Kapillarwand 21.1 auf, welche einen Hohlraum 21.2 umschließt. Die Kapillarwand 21.1 kann prinzipiell aus beliebigen, vorzugsweise dielektrischen Materialien umfassend Metalle, Gläser, insbesondere Quarzglas, Kunststoffe, Keramiken etc. bestehen. In bevorzugten Ausführungen ist die Kapillarwand aus einem faseroptischen Material, insbesondere Glasfasern, ausgebildet. Auf der Innenseite der Kapillarwand 21.1 ist gemäß dem dargestellten Beispiel eine reflektierende Oberfläche 21.3 dem Hohlraum 21.2 zugewandt ausgebildet. Die reflektierende Oberfläche 21.3 kann in Form einer auf die Innenseite der Kapillarwand 21.3 aufgebrachten reflektierenden Beschichtung mit ausgebildet sein und vorzugsweise eine Rauheit aufweisen, die kleiner als die halbe Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlung ist. Beispielsweise kann eine solche reflektierende Oberfläche durch Aufdampfen eines metallischen Films hergestellt werden. Die in 2 gezeigte Mikrokapillare wird auch als „Hollow Glass Waveguide“ bezeichnet. Alternativ kann die Kapillarwand 21.1 selbst aus einem Material bestehen, das die verwendete elektromagnetische Strahlung reflektiert. In alternativer, nicht dargestellter Ausführung ist die reflektierende Oberfläche auf der Außenseite des Kapillarwand 21.1 angeordnet, wobei auch hier die reflektierende Oberfläche dem Hohlraum 21.2. zugewandt ist. In noch weiteren Ausführungen ist die Mikrokapillare 21 in Form einer „Light Guiding Capillare“ ausgebildet. In diesem Fall ist sie aus einem für die verwendete Strahlung transparenten Material, beispielsweise Quarzglas, gebildet und auf der Außenfläche ein Mantel beziehungsweise eine Beschichtung aus einem Material mit einem kleineren Brechungsindex als das Kapillarmaterial angeordnet, beispielsweise Tetrafluoroethylen. In noch weiteren Ausführungen hat die Mikrokapillare 21 die Form einer sogenannten „Hollow Core Photonic Bandgap Fiber“. Entscheidend ist jeweils die Eignung der Kapillare, ein Austreten der elektromagnetischen Strahlung zu unterdrücken und einen möglichst hohen Strahlungsanteil innerhalb der Kapillare zu halten, sodass er mit dem darin vorhandenen Messgas in Wechselwirkung treten kann.
Die Länge der (gestreckten, nicht gewickelten) Mikrokapillare 21 kann im Bereich von einigen Zentimetern bis wenigen Metern liegen, beispielsweise 1 cm bis 2 m betragen. Der Außendurchmesser liegt bevorzugt im Bereich von Mikro- bis Millimetern, beispielsweise 100 µm bis 2000 µm. Der lichte Innendurchmesser, also der Durchmesser des Hohlraums, liegt ebenfalls typischerweise im Bereich von Mikro- bis Millimetern, beispielsweise 10 µm bis 1000 µm.
Die Mikrokapillare 21 weist ein erstes und ein zweites Ende auf. Wie in 1 dargestellt, ist an dem ersten Ende (unten rechts in der Darstellung) ein erstes Anschlusselement 23 angeordnet, das im vorliegenden Beispiel als ein T-Stück ausgebildet ist. Das Anschlusselement 23 weist einerseits einen Gaseinlass 23.1 zur Zuführung des zu vermessenden Gases oder Gasgemischs auf. Ferner weist das Anschlusselement 23 eine optische Einkopplungsstelle 23.2 auf, über die eine elektromagnetische Strahlung in den Hohlraum 21.2 der Mikrokapillare 21 eingekoppelt werden kann. An dem zweiten Ende der Mikrokapillare 21 (links oben in der Darstellung) ist ein zweites Anschlusselement 24 angeordnet, das hier ebenfalls die Gestalt eines T-Stücks aufweist. Das zweite Anschlusselement 24 weist einerseits einen Gasauslass 24.1 auf, aus dem das zu vermessende Gas aus dem Hohlraum der Mikrokapillare 21 ausgeleitet werden kann. Ferner ist in der hier gezeigten Ausführungsform an dem zweiten Anschlusselement 24 ein Spiegel 25 angeordnet. Dabei ist der Spiegel 25 so angeordnet, dass die über die optische Einkopplungsstelle 23.2 eingekoppelte elektromagnetische Strahlung bei Auftreffen auf den Spiegel 25 zurück in Richtung der Einkopplungsstelle 23.2 reflektiert wird. Aufgrund dieser Ausgestaltung fungiert der entsprechende Zugang des ersten Anschlusselements 23 gleichzeitig als optische Einkopplungsstelle 23.2 als auch als optische Auskopplungsstelle 23.3. In einer alternativen, hier nicht gezeigten Ausführung ist anstelle des Spiegels 25 die optische Auskopplungsstelle 23.3 angeordnet.
Die optoelektronische Einheit 30 weist eine Lichtquelle 31 auf, die als eine polychromatische Lichquelle ausgebildet ist, beispielsweise eine (spezielle) LED, Glüh- oder Halogenlampe. Im vorliegenden Beispiel emittiert die Lichtquelle 31 Licht im Bereich der ultravioletten bis visuellen Strahlung. Die Strahlung der Lichtquelle 31 wird über einen ersten Lichtleiter 32.1, insbesondere eine Glasfaser, zu der optischen Einkopplungsstelle 23.2 der Messzelle 20 geleitet.
Ferner weist die optoelektronische Einheit 30 eine Anzahl von hier drei Detektionseinheiten 34 auf, die vorzugsweise als Fotodioden ausgebildet sind. Die Detektionseinheiten 34 sind über einen zweiten Lichtleiter 32.2, der von dem ersten Lichtleiter 32.1 abzweigt, mit der optischen Auskopplungsstelle 23.3 verbunden. Die Zusammenführung des ersten und zweiten Lichtleiters 32.1, 32.2, wird über einen 2x1-Koppler 33.1 vermittelt. Ferner ist in dem zweiten Lichtleiter 32.2 ein zweiter Koppler nämlich ein 1x3-Koppler 33.2 angeordnet, der eine Aufspaltung des zweiten Lichtleiters 32.2 in drei parallele Leitungsabschnitte vornimmt, welche zu den entsprechenden Detektionseinheiten 34.1, 34.2 und 34.3 führen.
Der ersten Detektionseinheit 34.1 ist dabei ferner ein erster optischer Filter 35.1 vorgeschaltet, der zwischen der ersten Detektionseinheit 34.1 und der optischen Auskopplungsstelle 23.2 angeordnet ist. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem ersten optischen Filter 35.1 um einen Bandpassfilter, insbesondere einen Bandpass-Interferenzfilter, der Strahlung in einem Spektralbereich von 190 bis 200 nm oder von 214 bis 216 nm oder von 225 bis 230 nm durchlässt und die übrige Strahlung ausblendet. Hierzu ist in 3(a) das Absorptionsspektrum von Stickstoffmonoxid NO dargestellt. Es ist ersichtlich, dass NO in diesen Bereichen ausgeprägte Absorptionsbanden aufweist. Durch die Wahl des ersten optischen Filters 35.1 mit einem Durchlassbereich von 190 bis 200 nm oder von 214 bis 216 nm oder von 225 bis 230 nm wird somit die erste Detektionseinheit 34.1 ausgebildet, spezifisch Stickstoffmonoxid NO zu detektieren.
Im dargestellten Beispiel ist ferner der zweiten Detektionseinheit 34.2 ein zweiter optischer Filter 35.2 zugeordnet. Der zweite Filter 35.2 ist ebenfalls als Interferenzfilter ausgebildet und lässt im dargestellten Beispiel einen Spektralbereich von beispielsweise 390 bis 410 nm durch, wo Stickstoffdioxid NO₂ eine starke Absorptionsbande aufweist (vergleiche 3(b)). Auf diese Weise spricht die zweite Detektionseinheit 34.2 spezifisch auf NO₂ an.
Ferner ist eine dritte Detektionseinheit 34.3 vorhanden, der jedoch kein optischer Filter vorgeschaltet ist. Die dritte Detektionseinheit 34.3 fungiert somit als Referenz, um Schwankungen der Strahlungsintensität der von der Lichtquelle 31 emittierten Strahlung zu kompensieren.
Schließlich weist der Sensor 10 eine elektronische Steuer- und Auswerteeinheit 40 auf, welche der Steuerung der Lichtquelle 31 sowie der Auswertung der elektrischen Signale der Detektionseinheiten 34 dient. Insbesondere ist die Steuer- und Auswerteeinheit 40 ausgebildet, um die Konzentration der Gaskomponenten NO und NO₂ in Abhängigkeit von den elektrischen Signalen der Detektionseinheiten 34.1 und 34.2 zu ermitteln.
Der optische Sensor 10 aus 1 weist folgende Funktionsweise auf. Das zu vermessende Gas oder Gasgemisch wird über den Gaseinlass 23.1 in den Hohlraum 21.2 der Mikrokapillare 21 geleitet. Dabei kann eine kontinuierliche Durchleitung erfolgen, wobei das Gas kontinuierlich aus dem Gasauslass 24.1 abgeführt wird. Alternativ kann die Kapillare 21 in einem diskontinuierlichen Verfahren chargenweise mit dem Gas beschickt werden. Die von der Lichtquelle 31 emittierte Strahlung wird über den ersten Lichtleiter 32.1 der optischen Einkopplungsstelle 23.2 zugeleitet, wo die Strahlung in den Hohlraum 21.2 der Kapillare 21 eingekoppelt wird. Die Strahlung durchläuft die gesamte Länge der Mikrokapillare 21, wobei die reflektierende Oberfläche 21.3 einen Austritt aus der Kapillare verhindert. Am Ende der Mikrokapillare 21 trifft die Strahlung auf den Spiegel 25, der die Strahlung reflektiert, sodass sie die Mikrokapillare 21 nun in umgekehrter Richtung durchläuft, um an der optischen Auskopplungsstelle 23.2 aus der Kapillare ausgekoppelt zu werden. Während der Durchströmung der Mikrokapillare 21 kommt es zur Interaktion der elektromagnetischen Strahlung mit den dort befindlichen Gasmolekülen. Insbesondere werden Valenzelektronen der Gasmoleküle auf höhere Energieniveaus angeregt, wodurch es zu einer Absorption von Strahlungsenergie im Bereich der spezifischen Absorptionsbanden der vorhandenen Gasmoleküle kommt. Die aus der Mikrokapillare 21 ausgekoppelte elektromagnetische Strahlung durchläuft den ersten Lichtleiter 32.1 und wird über den 2x1-Koppler 33.1 in den zweiten Lichtleiter 32.2 eingekoppelt. Über den 1x3-Koppler 33.2 wird der erste Lichtleiter 32.2 in die drei parallelen Zweige geteilt, sodass die elektromagnetische Strahlung auf die drei Detektionseinheiten 34.1, 34.2, 34.3 trifft. Dabei gelangt aufgrund des ersten optischen Filters 35.1 nur Strahlung im Bereich von 190 bis 200 nm oder von 214 bis 216 nm oder von 225 bis 230 nm zur Detektionseinheit 34.2. Auf der anderen Seite gelangt aufgrund des zweiten optischen Filters 35.2 nur Strahlung im Bereich von 390 bis 410 nm zur zweiten Detektionseinheit 34.2. Hingegen empfängt die dritte Detektionseinheit 34.3 den gesamten Spektralbereich. Die Steuer- und Auswerteeinheit 40 vergleicht die mit der ersten Detektionseinheit 34.1 gemessene Intensität mit einer (in Abhängigkeit von der mit dem Referenzdetektor 34.3 gemessenen Intensität) gespeicherten Intensität, die charakteristisch für die Abwesenheit von Stickstoffmonoxid ist. Sofern Stickstoffmonoxid im Messgas vorhanden ist, findet eine Absorption in dem Spektralbereich um 110 nm statt, sodass eine vergleichsweise niedrige Intensität durch die erste Detektionseinheit 34.1 gemessen wird. Hieraus ermittelt die Einheit 40 die in dem Messgas vorhandene Konzentration an NO, beispielsweise in ppm. In entsprechender Funktionsweise wird über das Signal der zweiten Detektionseinheit 34.2 die Konzentration von NO₂ ermittelt.
Es versteht sich, dass der erfindungsgemäße optische Sensor nicht auf die Bestimmung von NO und NO₂ beschränkt ist. Durch Auswahl der optischen Filter 35 können auch andere Gaskomponenten beispielsweise CO₂, CO, N₂O, N₂O₅, SO₂, Ar, H₂, O₂, CH₄ und andere Kohlenwasserstoffe HC je nach Anwendung ermittelt werden. Auch ist der optische Sensor grundsätzlich geeignet, eine beliebige Anzahl von Gaskomponenten nebeneinander nachzuweisen.
4 zeigt eine insgesamt mit 1 bezeichnete optische Messvorrichtung, die als zentrale Komponente den erfindungsgemäßen optischen Sensor 10 aufweist, umfassend die Messzelle 20 und die mit dieser über einen Lichtleiter 32 verbundene optoelektronische Einheit 30. Dabei entsprechen die Komponenten des optischen Sensors 10 im Wesentlichen den der 1 und werden hier nicht noch einmal im Detail beschrieben.
Neben dem optischen Sensor 10 weist die Messeinrichtung 1 eine Gaskonditionierungseinheit 50 auf, die dem Sensor 10 in Strömungsrichtung des zu vermessenden Gases strömungstechnisch vorgeschaltet ist. Die Gaskonditionierungseinheit 50 dient im Wesentlichen der Vorreinigung des dem Sensor 10 zugeführten Gases. Dabei weist die Einheit 50 im dargestellten Beispiel ein vom Gas durchströmbares Reinigungselement 51, insbesondere einen Filter auf, der partikuläre Bestandteile zurückhält. Das so gefilterte Gas trifft dann auf ein Heizelement 52, durch welches eine Entzündung und Verbrennung (Abfackelung) bestimmter Gaskomponenten erfolgt. Von dort strömt das so vorgereinigte Gas in die Messzelle 20 und insbesondere in die zuvor beschriebene Mikrokapillare 21. Dort findet in der zuvor beschriebenen Vorgehensweise die spektroskopische Auswertung statt. Wie bereits erwähnt, kann dieses in einer kontinuierlichen Vorgehensweise erfolgen, bei welcher das Gas kontinuierlich durch die Messzelle 20 geleitet und vermessen wird. Alternativ erfolgt gemäß einem diskontinuierlichen Ansatz eine chargenweise Befüllung und Vermessung des Gases. Nach Austritt aus der Messzelle 20 des Sensors 10 strömt das Gas in einen Ausgangsbereich, von wo es über eine Abfuhrleitung aus der Messeinrichtung 1 entlassen wird.
In 5 ist eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen optischen Sensors 10 dargestellt, nämlich in einem Abgastrakt eines Fahrzeugs 70. Das Fahrzeug 70 umfasst einen Verbrennungsmotor 71, bei dem es sich im vorliegenden Beispiel um einen Dieselmotor handelt. Ein von dem Verbrennungsmotor 71 erzeugtes Abgas gelangt über einen Abgaskrümmer 72 in einen Abgaskanal 73. In diesem sind verschiedene Abgasreinigungskomponenten zur Reinigung des verbrennungsmotorischen Abgases angeordnet. Diese umfassen im gezeigten Beispiel einen Oxidationskatalysator 34, der eine Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC sowie von Kohlenmonoxid CO vornimmt. Ein nachgeschalteter Dieselpartikelfilter 75 hält partikuläre Bestandteile, insbesondere Ruß, mechanisch zurück. Dem Partikelfilter 75 ist ein SCR-Katalysator 76 nachgeschaltet, der in an sich bekannter Weise eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden NO_x vornimmt. Stromauf des Oxidationskatalysators 74 ist ein erster optischer Sensor 10.1 gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet. Dieser ist beispielsweise ausgebildet, um die Gaskomponenten CO, NO, NO₂, CO und O₂ zu detektieren und mengenmäßig zu bestimmen. Stromab des Oxidationskatalysators 74 ist ein zweiter optischer Sensor 10.2 angeordnet, der die gleichen Komponenten wie der Sensor 10.1 detektiert, insbesondere aber CO und CH₄, um die Performance des Oxidationskatalysators 74 zu überwachen. Schließlich ist stromab des SCR-Katalysators 76 ein weiterer optischer Sensor 10.3 angeordnet, der insbesondere zur Detektion von verschiedenen Stickoxiden wie NO und NO₂ sowie von Ammoniak NH₃ ausgebildet ist.
Die Steuerung und Auswertung der optischen Sensoren 10.1, 10.2 und 10.3 erfolgt wiederum über elektronische Steuer- und Auswerteeinheiten 40. Gemäß der in 5(a) gezeigten Ausführung weist jeder der Sensoren eine eigene Steuer- und Auswerteeinheit auf. Dabei ist die Steuereinheit 40.1 dem ersten Sensor 10.1 zugeordnet, die zweite Steuereinheit 40.2 dem zweiten Sensor 10.2 und die dritte Steuereinheit 40.3 dem dritten Sensor 10.3. Gemäß der in 5(b) gezeigten Alternative steuert ein einziges Multiplex-Steuergerät 40 sämtliche der vorhandenen Sensoren.
Es sei darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße optische Sensor 10 nicht nur in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann, sondern in beliebigen Einsatzbereichen, in denen eine qualitative und/oder quantitative Detektion von Gasen erforderlich ist. Mögliche Einsatzgebiete sind beispielsweise die Messung von Gasanteilen in Klimakompressoren, die Messung von unerwünschten Gasaustritten aus Batteriemodulen, die Messung von Gasen, beispielsweise CO in einem Fahrzeuginnenraum, Einsätze in Flugzeugen, Hubschraubern, Verbrennungsindustrieanlagen, Biogasanlagen oder Tankstellen.
Der erfindungsgemäße optische Sensor 10 zeichnet sich durch folgende vorteilhafte Eigenschaften aus:

- Hohe Widerstandsfähigkeit in problematischen Umgebungen,
- Eignung zur Messung einer Vielzahl verschiedener Gaskomponenten auch nebeneinander,
- Hohe Empfindlichkeit,
- Kurze Ansprechzeiten,
- Niedrige Kosten,
- Direkte Messmethode,
- Hohe Zuverlässigkeit (keine Beeinflussung durch Funkenbildung, Kurzschluss, EMI-, RF- und HV-Störungen),
- Kompakte und einfache Bauweise.

Bezugszeichenliste

1: Optische Messeinrichtung
10: Optischer Sensor
20: Messzelle
21: Mikrokapillare
21.1: Kapillarwand
21.2: Hohlraum
21.3: reflektierende Oberfläche / reflektierende Beschichtung
22: Trägerkern
23: erstes Anschlusselement / T-Stück
23.1: Gaseinlass
23.2: optische Einkopplungsstelle
23.3: optische Auskopplungsstelle
24: zweites Anschlusselement / T-Stück
24.1: Gasauslass
25: Spiegel
30: optoelektronische Einheit
31: Lichtquelle
32.1: erster Lichtleiter / Glasfaser
32.2: zweiter Lichtleiter / Glasfaser
33.1: 2x1-Koppler
33.2: 1x3-Koppler
34.1: erste Detektionseinheit / erste Fotodiode
34.2: zweite Detektionseinheit / zweite Fotodiode
34.3: dritte Detektionseinheit / dritte Fotodiode
35.1: erster optischer Filter / erster Interferenzfilter
35.2: zweiter optischer Filter / zweiter Interferenzfilter
40: elektronische Steuer- und Auswerteeinheit
50: Gaskonditionierungseinheit
51: Reinigungselement / Filter
52: Heizelement
60: Ausgangsbereich
70: Fahrzeug
71: Verbrennungsmotor
72: Abgaskrümmer
73: Abgaskanal
74: Oxidationskatalysator
75: Dieselpartikelfilter
76: SCR-Katalysator
10.1: erster Gassensor
10.2: zweiter Gassensor
10.3: dritter Gassensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2287591 A2 [0004]
DE 4037431 A1 [0005]

Claims

Optischer Sensor (10) zur Detektion eines Gases, umfassend: eine gewickelte Mikrokapillare (21) mit einer Kapillarwand (21.1) und mit einem Hohlraum (21.2), wobei die Mikrokapillare (21) ausgebildet ist, ein Austreten von elektromagnetischer Strahlung zu unterdrücken, einen an einem ersten Ende der Mikrokapillare (21) angeordneten Gaseinlass (23.1) und einen an einem zweiten Ende der Mikrokapillare (21) angeordneten Gasauslass (24.1), sodass der Hohlraum (21.2) mit dem zu messenden Gas befüllbar und/oder von einem solchen durchströmbar, eine optische Einkopplungsstelle (23.2), die ausgebildet ist, eine elektromagnetische Strahlung in den Hohlraum (21.2) der Mikrokapillare (21) einzukoppeln, und eine optische Auskopplungsstelle (23.3), die ausgebildet ist, die elektromagnetische Strahlung aus der Mikrokapillare (21) auszukoppeln, wobei die Einkopplungsstelle (23.2) und die Auskopplungsstelle (23.3) gemeinsam an dem ersten oder zweiten Ende der Mikrokapillare (21) oder separat voneinander an den gegenüberliegenden Enden der Mikrokapillare (21) ausgebildet sind.
Optischer Sensor (10) nach Anspruch 1, wobei die Mikrokapillare eine auf einer Innenseite oder Außenseite der Kapillarwand (21.1) angeordnete reflektierende Oberfläche (21.3) aufweist.
Optischer Sensor (10) nach Anspruch 2, wobei die reflektierende Oberfläche (21.3) als eine spiegelnde Oberfläche, insbesondere ein metallischer Film, ausgebildet ist, die dem Hohlraum (21.2) zugewandt ist.
Optischer Sensor (10) nach Anspruch 2, wobei die Kapillarwand (21.1) aus einem strahlungsdurchlässigen Material besteht und die reflektierende Oberfläche (21.3) eine auf der Außenseite der Kapillarwand (21.1) angeordnete Schicht eines Materials mit einem Brechungsindex, der kleiner ist als der des Materials der Kapillarwand (21.1).
Optischer Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Trägerkern (22), um den die Mikrokapillare (21) gewickelt ist.
Optischer Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einkopplungsstelle (23.2) und die Auskopplungsstelle (23.3) gemeinsam an dem ersten oder zweiten Ende der Mikrokapillare (21) ausgebildet sind und an dem der Einkopplungsstelle (23.2) und Auskopplungsstelle (23.3) gegenüberliegenden Ende der Mikrokapillare (21) ein Spiegel (25) angeordnet ist, der die auftreffende elektromagnetische Strahlung in Richtung der Einkopplungsstelle (23.2) reflektiert.
Optischer Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Lichtquelle (31) zur Emission der elektromagnetischen Strahlung, die über einen Lichtleiter (32) mit der optischen Einkopplungsstelle (23.2) verbunden ist.
Optischer Sensor (10) nach Anspruch 6 und 7, wobei die in die Mikrokapillare (21) eingestrahlte elektromagnetische Strahlung und die austretende elektromagnetische Strahlung zumindest abschnittsweise über einen gemeinsamen Lichtleiter (32) geleitet werden.
Optischer Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend zumindest eine für die elektromagnetische Strahlung empfindliche Detektionseinheit (34), insbesondere Fotodiode, zur Umwandlung der elektromagnetischen Strahlung in ein elektrisches Signal, wobei die Detektionseinheit (34) über einen Lichtleiter (32) mit der optischen Auskopplungsstelle (23.3) verbunden ist.
Optischer Sensor (10) nach Anspruch 9, ferner umfassend einen zwischen der optischen Auskopplungsstelle (23.3) und der Detektionseinheit (34) angeordneten optischen Filter (35), insbesondere Interferenzfilter, der ausgebildet ist, einen vorbestimmten spektralen Bereich selektiv passieren zu lassen.
Optischer Sensor (10) nach Anspruch 9 und 10, umfassend eine Mehrzahl von Detektionseinheiten (34.1, 34.2) mit jeweils einem vorgeschalten optischen Filter (35.1, 35.2), wobei die optischen Filter (35.1, 35.2) ausgebildet sind, unterschiedliche vorbestimmte spektrale Bereiche selektiv passieren zu lassen.
Optische Messeinrichtung (1) zur Detektion eines Gases, umfassend einen optischen Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie eine Gaskonditionierungseinheit (50) zur Vorreinigung des dem Sensor (10) zugeführten Gases.
Fahrzeug (70) mit einem Verbrennungsmotor (71), einer daran angeschlossenen Abgasanalage mit einem Abgaskanal (73) und mindestens einer darin angeordneten Abgasreinigungskomponente (74, 75, 76), wobei in dem Abgaskanal (73) mindestens ein optischer Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder eine optische Messeinrichtung (1) nach Anspruch 12 zur Detektion eines Gases in dem Abgas des Verbrennungsmotors (71) angeordnet ist.