DE102020101218A1

DE102020101218A1 - Gassensor mit sporadisch betriebener Referenzlichtquelle

Info

Publication number: DE102020101218A1
Application number: DE102020101218.7A
Authority: DE
Inventors: Alexander Wannenwetsch; Lutz Jügelt
Original assignee: Ums Umwelt Membran und Sensortechnik & Co Kg GmbH
Current assignee: Ums Umwelt Membran und Sensortechnik & Co Kg GmbH
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2021-07-22
Also published as: WO2021148083A1

Abstract

Gassensor zur Messung des Anteils eines Gases in einem Gasgemisch, umfassend mindestens einen Lichtdetektor (2,5), welcher zumindest in einem Spektralbereich empfindlich ist (Empfindlichkeitsbereich), der ein Absorptionsband von Molekülen des zu messenden Gases enthält und ein analoges Detektorsignal ausgibt, welches eine innerhalb des Empfindlichkeitsbereichs detektierte Lichtintensität repräsentiert, insbesondere dazu proportional ist, mindestens eine Primärlichtquelle (3), welche Licht eines Spektrums aussendet, das mit dem Empfindlichkeitsbereich überlappt, eine Steuerung (10), zur Ansteuerung der Primärlichtquelle (3) und Auswertung des Detektorsignals, wobei die Steuerung (10) aus dem Detektorsignal ein analoges oder digitales Messsignal (M) erzeugt, welches den Anteil des zu messenden Gases repräsentiert, wobei mindestens eine von der Primärlichtquelle (3) verschiedene Referenzlichtquelle (4), wobei die Steuerung (10) dazu vorbereitet ist, in einem Normalbetrieb ausschließlich eine oder mehrere der Primärlichtquellen (3) zu verwenden, und in einem Referenzmessbetrieb ausschließlich eine oder mehrere der Referenzlichtquellen (4) zu verwenden, und wobei eine zeitliche Dauer des Normalbetriebs viel größer ist als eine zeitliche Dauer des Referenzmessbetriebs.

Description

Vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Gassensor gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1, und einem Verfahren zum Betreiben eins Gassensors mit zwei oder mehr Lichtquellen.
Zur Ermittlung des Anteils eines Gases in einem Gasgemisch sind absorptionsbasierte optische Gassensoren bekannt, bei denen das in einer Messzelle geleitete Gas von Licht einer Lichtquelle durchstrahlt und nach Durchqueren der Messzelle von einem Lichtdetektor erfasst wird. Sofern die Moleküle des zu messenden Gases in einem Spektralbereich, welcher innerhalb des von der Lichtquelle ausgesendeten Spektrums liegt, ein oder mehrere Absorptionsbande aufweisen, wird das Licht der Lichtquelle entsprechend der Weglänge und der Absorptionsstärke des Gases abgeschwächt auf dem Lichtdetektor auftreffen. Diese Abschwächung gegenüber einer Lichtintensität in Abwesenheit des zu messenden Gases kann erfasst und als Messwert, welcher den Anteil des zu messenden Gases repräsentiert, ausgegeben werden.
Um sicher zu stellen, dass ausschließlich eine bestimmte zu messende Gaskomponente erfasst wird, sollte eine spektralsensitive messung durchgeführt werden. Hierbei wird entweder eine Lichtquelle gewählt, welche ausschließlich in einem Spektralbereich sendet, in welchem lediglich die Moleküle des zu messenden Gases, aber keine anderen Moleküle des Gasgemisches ein Absorptionsband aufweisen, oder es wird ein Lichtdetektor verwendet, der lediglich in einem solchen Spektralbereich empfindlich ist. Eine spektral schmalbandige Lichtquelle bzw. ein solcher Detektor können hierbei durch optische Reihenschaltung einer breitbandigen Lichtquelle bzw. eines breitbandigen Detektors mit einem schmalbandigen optischen Filter erhalten werden. Es ist hierbei wichtig, einen Spektralbereich zu wählen, in welchem die übrigen zu erwartenden Gase des Gasgemisches transparent sind, also keine Absorptionsbande aufweisen. Die Analyse vollständig unbekannter Gasgemische ist mit dieser Art einfacher Detektoren nicht möglich, sondern erfordert beispielsweise eine Vektoranalyse eines über einen breiten Spektralbereich erfassten Absorptionsspektrums, welches Position, Breite und Höhe aller Absorptionslinien oder -bände in diesem Bereich umfasst.
Bei den hier behandelten einfachen absorptionsbasierten optischen Gassensoren treten verschiedene weitere Probleme auf. Zum einen kann durch in dem zu messenden Gas vorhandene Staubpartikel oder Wasserdampf eine generelle Abschwächung der das Messvolumen durchtretenden Lichtintensität auftreten, welche also unabhängig ist vom Anteil des zu messenden Gases. Zum anderen ändert sich sowohl in der Intensität als auch Spektrum der Lichtquelle mit deren Temperatur als auch mit deren Alter.
Eine Verringerung der Intensität durch im Gas enthaltene Schwebpartikel kann zum einen durch einen der Messzelle vorgeschalteten Filter weitgehend vermieden werden. Eine andere oder zusätzliche Möglichkeit besteht in der Verwendung eines zweiten, in einem engen Spektralbereich empfindlichen Lichtdetektors, dessen Empfindlichkeitsfenster in einem Spektralbereich liegt, in welchem das zu messende Gas transparent ist. Das Verhältnis der durch den ersten und zweiten Detektor erzeugten Signale ist dann unabhängig von der durch die Lichtquelle ausgesendeten bzw. das Messvolumen durchtretenden Gesamtintensität und eignet sich daher besser für die Bestimmung des Gasgehalts. Eine solche Lösung wird beispielsweise in der Schrift JP2001-503865T vorgeschlagen. Eine solche Ausgestaltung löst auch das Problem der temperatur- oder altersbedingten Intensitätsänderung der Lichtquelle, überwindet jedoch nicht das der temperatur- oder altersbedingten spektralen Drift der Lichtquelle.
Eine Lösung für letzteres Problem ist in der Offenlegungsschrift EP3051274A1 vorgeschlagen. Dortiger absorptionsbasierter Gassensor weist ebenfalls zwei Lichtdetektoren zur Erfassung des von einer oder mehreren Lichtquellen ausgesendete Lichts auf, jedoch ist einer der Detektoren über einen optischen Pfad mit der Lichtquelle verbunden, welcher nicht durch das Gas, sondern ein Substrat führt, sodass das Licht, welches diesen Detektor von der Lichtquelle erreicht, nicht durch die Absorptionseigenschaften des Gases oder darin gelöster Partikel moduliert wird. Hierdurch ist es möglich, zwei baugleiche Detektoren einzusetzen, oder zumindest solche welche im gleichen Spektralbereich empfindlich sind. Eine alters- oder temperaturbedingte Verschiebung der spektralen Intensität der Lichtquelle hat somit keine Auswirkung auf die von den Sensoren detektierten Lichtintensitäten, da beide Detektoren gleichermaßen davon betroffen sind. Etwaig Differenzen der detektierten Intensitäten sind daher ausschließlich auf die teilweise Absorption des Lichts im zu messenden Gasgemisch zurückzuführen.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, einen alternativen Gassensor zu finden, welcher gegenüber alters- und temperaturbedingter Intensitätsänderungen und spektraler Drift stabilisiert ist und der hierbei auch einfach und kostengünstig herstellbar bleibt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Gassensor gemäß der Ansprüche 1-12 und einem Verfahren zum Betreiben eines Gassensors mit zwei oder mehr Lichtquellen nach einem der Ansprüche 13-16.
Das wesentliche Merkmal des erfindungsgemäßen Gassensors besteht darin, dass neben einer Primärlichtquelle zumindest eine weitere Lichtquelle vorhanden ist, welche als Referenzlichtquelle betrieben wird. D.h. im Normalbetrieb, welcher über die Lebensdauer des Gerätes gesehen überwiegend die meiste Zeit durchgeführt wird, wird/werden die Primärlichtquelle/n zur Aussendung des durch den/die Lichtdetektor/en des Gassensors zu detektierenden Lichtes verwendet. Jedoch in regelmäßigen Abständen oder unregelmäßigen Abständen aber regelmäßigen Intervallen, beispielsweise in Abständen oder Intervallen von einem Tag, einer Woche, einem Monat oder einem Jahr oder seltener, wird oder wird/werden die Primärlichtquelle/n deaktiviert und eine Referenzmessung durchgeführt, bei der für die Bestimmung des Gasgehalts stattdessen die Referenzlichtquelle/n verwendet werden. Aufgrund der Tatsache, dass die Referenzlichtquelle/n auch in Summe nur eine deutlich kürzere Zeitspanne in Betrieb sind als die Primärlichtquelle/n, werden sie kaum altern und haben daher ein Emissionsspektrum sowie eine Gesamtintensität, welche noch nahezu denen im Neuzustand entspricht. Sie können damit im anschließend an die Referenzmessung fortgesetzten Normalbetrieb zur Korrektur der bei Verwendung der Primärlichtquelle/n detektierten Intensitäten herangezogen werden.
Bei der Durchführung einer Referenzmessung deaktiviert die Steuerung des Gassensors die Primärquellen und verwendet für die Dauer der Referenzmessung ausschließlich die Referenzlichtquelle oder -quellen. Als Ergebnis der Referenzmessung ermittelt die Steuerung für jeden der Lichtdetektoren jeweils das Verhältnis der gemessenen Intensität bei Verwendung der Referenzlichtquelle zur letzten gemessenen Intensität bei Verwendung der Primärlichtquelle/n. Diese dem jeweiligen Detektor zugeordneten Verhältnisse werden für nachfolgende Normalbetriebsphase als Korrekturwert gespeichert. Im Normalbetrieb werden dann diese von einem Detektor ermittelten Intensitäten durch Multiplikation mit dem für diesen Detektor gespeicherten, in der letzten Referenzmessung ermittelten Verhältnisse korrigiert.
Die Dauer des Referenzbetriebes ist insgesamt sehr viel kürzer als die Dauer des Normalbetriebs. Erfindungsgemäß dauert eine Referenzmessung höchstens lediglich einige Sekunden, insbesondere zwischen 0,1 und 10 s, und muss nur in recht langen Intervallen von einigen Tagen, Wochen, Monaten oder gar Jahren, abhängig von der Art der verwendeten (Primär-)Lichtquelle, wiederholt werden. Bevorzugt wird eine Referenzmessung in Abständen wiederholt, welche zwischen 0,1% und 10%, besonders bevorzugt zwischen 0,1% und 2%, der durchschnittlichen Lebensdauer der verwendeten Primärlichtquellenart entspricht. Bei einer Glühlampe als Primärlichtquelle wären dies also beispielsweise alle ca. 250 bis 5000 Betriebsstunden, bei einer LED als Primärlichtquelle alle 500 bis 20000 Betriebsstunden.
In manchen Ausführungsformen wird ein breitbandiger Lichtdetektor verwendet, etwa eine Photodiode, welchem ein schmalbandiger optischer Filter vorgeschaltet ist, um einen Lichtdetektor mit einer Empfindlichkeit in einem bestimmten Spektralbereich zu erhalten. Der Spektralbereich wird hierbei in Abhängigkeit von dem zu messenden Gas des Gasgemisches gewählt. Soll der erfindungsgemäße Sensor beispielsweise Kohlendioxid (CO₂) in dem Gasgemisch detektieren können, so wird ein Lichtdetektor vorgeschlagen, der lediglich in einem Spektralbereich um 4,3 µm Lichtquellenlänge empfindlich ist.
In manchen Ausführungsformen der Erfindung können die Primärlichtquelle und die Referenzlichtquelle baugleich sein. Besonders bevorzugt sind sowohl Primär- als auch Referenzlichtquelle Leuchtdioden, da diese eine besonders lange Lebensdauer und einen geringen Energieverbrauch haben.
In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gassensors ist ein Referenzdetektor zusätzlich zu dem ersten Lichtdetektor eingesetzt, welcher ebenfalls lediglich in einem engen Spektralbereich empfindlich ist, wobei der Spektralbereich des Referenzdetektors allerdings so gewählt ist, dass das zu messende Gas in diesem im Wesentlichen transparent ist. Die vom Referenzdetektor gemessene Lichtintensität kann daher zur Korrektur des vom primären Lichtdetektor erfassten Wertes verwendet werden um Abschwächungen, welche nicht auf die Absorption durch das zu messende Gas zurückzuführen sind, auszugleichen. Dies betrifft, wie eingangs beschrieben, beispielsweise Intensitätsabschwächung aufgrund vom im Gas vorhandener Schwebstoffe, breitbandig absorbierender Moleküle wie beispielsweise Wasserdampf, oder Gesamtintensitätsänderungen aufgrund wechselnder Betriebsspannung- und/oder -temperatur der Lichtquelle, sowie auch altersbedingte Änderungen der Gesamtintensität. Der erfindungsgemäße Referenzmessbetrieb mit der Referenzlichtquelle wird jedoch immer noch benötigt, um eine altersbedingte spektrale Drift der Lichtquelle zu korrigieren.
Besonders bevorzugt sind die optischen Wege zwischen den Lichtquellen und den Detektoren alle gleich lang, um keine weiteren Korrekturfaktoren für unterschiedliche Weglängen berücksichtigen zu müssen. Dies wird bei zwei Lichtquellen und zwei Lichtdetektoren beispielsweise dadurch erreicht, dass die Lichtquellen und Lichtdetektoren so angeordnet werden, dass die Verbindungslinie der Lichtquellen senkrecht steht sowohl auf der Verbindungslinie der Lichtdetektoren, als auch auf der Geraden, welche durch die Mitten der Verbindungslinien definiert ist.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gassensors, welche zur Detektion von CO₂ geeignet ist, wird bevorzugt ein Referenzlichtdetektor eingesetzt, welcher im Wesentlichen nur im Wellenlängenbereich um 3,9 µm empfindlich ist, da CO₂ für Licht dieser Wellenlänge transparent ist.
In manchen Ausführungsformen der Erfindung betreibt die Steuerung die Lichtquellen, d.h. im Normalbetrieb die Primärlichtquellen, und/oder während einer Referenzmessung die Referenzlichtquellen, nicht kontinuierlich sonders gepulst, wobei dieser gepulste Betrieb durch eine Pulsdauer, d.h. eine Dauer der Aktivierung der Lichtquelle während eines Pulses und einer Wiederholfrequenz bzw. Pulsperiode charakterisiert ist. Die Wiederholfrequenz liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 und 100 Hz, die Pulsperiode also entsprechend zw. 10 ms und 1 s. Die Pulsdauer beträgt bevorzugt zwischen 10% und 90% der Pulsperiode, d.h. der Pulsperiode. In manchen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens werden Pulse mit fester Dauer ausgesendet, während in alternativen Ausführungsformen die Pulsdauer variabel gewählt wird, wie unten noch näher beschrieben ist.
Das analoge Detektorsignal der Lichtdetektoren, d.h. des primären Lichtdetektors als auch das Signal eines etwaig vorhandenen Referenzdetektors, werden bevorzugt durch jeweils vorhandene Verstärker verstärkt.
In manchen Ausführungsformen mit einer festen Pulsdauer wird das verstärkte Ausgangssignal dann mittels eines Analog-Digitalwandlers in ein digitales Ausgangssignal umgewandelt und einem Mikrocontroller zur weiteren Verarbeitung zugeführt. Dieser berechnet dann abhängig von der Konfiguration des Gassensors, entweder das mit dem Korrekturfaktor der letzten Referenzmessung korrigierte Messsignal des Lichtdetektors oder das mit dem Verhältnis der Ausgangssignale von Sensor und Referenzdetektor, wobei die ins Verhältnis gesetzten Werte jeweils mit dem für sie maßgeblichen Korrekturfaktor aus der letzten durchgeführten Referenzmessung korrigiert werden.
In alternativen Ausführungsformen mit einer variablen Pulsdauer wird statt eines Analog-Digitalwandlers jedem Lichtdetektor ein Summierer und Schwellwertschalter nachgeschaltet. Das von dem jeweiligen Detektor erfasste Signal wird von dem ihm nachgeschalteten Summierer aufsummiert und bei Erreichen eines eingestellten Schwellwerts der Schwellwertschalter ausgelöst, woraufhin die Steuerung dann die jeweils aktive Lichtquelle, d.h. im Normalbetrieb die Primärlichtquelle und im Referenzmessbetrieb die Referenzlichtquelle deaktiviert. Die Steuerung erfasst in diesen Ausführungsformen die benötigte Pulsdauer zum Erreichen des Schwellwertes und bestimmt aus dieser Dauer dann den Gasgehalt. Der Vorteil, gegenüber den Ausführungsformen mit fester Pulsdauer und Analog-Digitalwandler liegt darin, dass der Messwert hier nicht durch Nichtlinearitäten von Verstärker und/oder Analog-Digitalwandler verfälscht ist.
Die Lichtquellen sowie der oder die Lichtdetektoren des erfindungsgemäßen Gassensors befinden sich in einem Messvolumen innerhalb des Gehäuses einer Messzelle, in welches durch einen Einlass das zu messende Gasgemisch einströmen und durch einen Auslass wieder ausströmen kann. Dem Einlass ist in bevorzugten Ausführungsformen ein Staubpartikelfilter vorgeschaltet. Da die zu messenden Gase auch hochreaktive Komponenten enthalten können, ist es in besonders bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, sowohl Lichtquelle als auch Lichtdetektoren durch transparente Separatoren in Form von das Messvolumen begrenzenden Fenstern oder aber bauteilindividuellen Umhüllungen vom Gas zu separieren. Hierfür eignet sich insbesondere Glas oder Quarzglas.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mess-Betriebsverfahrens für einen Gassensor, in welchem die Lichtquellen nicht baugleich sind, führt die Steuerung bei zumindest der ersten Inbetriebnahme unter Verwendung eines Testgases oder -gasgemisches eine Kalibrierung durch, bei der jede der Lichtquellen nacheinander aktiviert und das von den Lichtdetektoren erfasste Signal der einzelnen Lichtquellen zueinander ins Verhältnis gesetzt und diese Verhältnisse als Referenzwert für die Lichtquellen zu Beginn der Lebensdauer gespeichert werden. Diese Kalibrierung kann auch bei baugleichen Lichtquellen durchgeführt werden und wird bevorzugt für mindestens eine weiteres Gas oder Gasgemische, besonders bevorzugt für zwei oder mehr weitere Gase oder Gasgemische durchgeführt.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen des Gassensors und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Gassensors wird die erste Referenzmessung nach einem kürzeren Intervall durchgeführt als die nachfolgenden Referenzmessungen, da die Alterungseffekte zu Beginn der Lebensdauer üblicherweise besonders stark sind. Insbesondere ist das erste Referenzmessintervall nur halb oder oder ein Drittel so lang wie die darauf folgenden regulären Referenzmessintervalle. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt es zwischen 0,033 % und 5 %, besonders bevorzugt zwischen 0,033 % und 1% der durchschnittlichen Lebensdauer der verwendeten Primärlichtquelle.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale vorliegender Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden anhand der Figuren näher erläuterte Ausführungsbeispiele. Diese sollen die Erfindung lediglich illustrieren und in keiner Weise in ihrer Allgemeinheit einschränken.
Es zeigen:

1: Eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors
2: Eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors

In 1 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors dargestellt, welche mit festen Pulsdauern arbeitet und den Gasgehalt anhand der detektierten Intensitäten bestimmt.
Der Gassensor 1 umfasst ein Gehäuse 6 mit einem Einlass 61 mit vorgeschaltetem Partikelfilter 63 und einem Auslass 62 für das zu untersuchende Gasgemisch. Im Messvolumen 60 innerhalb des Gehäuses 6 sind eine Primärlichtquelle 3 und eine Referenzlichtquelle 4 gegenüber einem (primären) Lichtdetektor 2 und einem Referenzlichtdetektor 5 angeordnet. Um gleichlange optische Wege zwischen den Lichtquellen und den Detektoren zu garantieren, sind diese derart angeordnet, dass die Verbindungslinien zwischen den beiden Lichtquellen 3, 4 und den beiden Detektoren 2, 4 aufeinander senkrecht stehen, was allerdings in der vorliegenden schematischen 2D-Darstellung nicht darstellbar ist.
Die Lichtquellen 3, 4 sind baugleiche Leuchtdioden. Die Lichtdetektoren 2, 5 bestehen jeweils aus einem optischen Filter 21, 51 welche zwischen den Lichtquellen 3, 4 und breitbandig sensitiven Photodioden 22, 52 angeordnet sind. Der optische Filter 21 des primären Lichtdetektors 2 lässt lediglich Licht in Spektralbereichen passieren, welcher ein oder mehrere Absorptionsbande der Moleküle des zu messenden Gases enthält, wohingegen der optische Filter 51 des Referenzlichtdetektors nur Spektralbereiche passieren lässt, in denen das zu messende Gas transparent ist. Für einen zur Messung des CO₂ Gehaltes konfigurierten Gassensor gemäß vorliegender Ausführungsform würde vorgeschlagen, für den Filter 21 einen schmalbandigen Filter für Wellenlängen um 4,3 Mikrometer, für den Filter 51 einen schmalbandigen Filter für Wellenlängen um 3,9 Mikrometer einzusetzen. Die Bandbreite der Filter sollte dabei jeweils kleiner sein als die Separation der zentralen Wellenlänge, hier also kleiner als 0,4 Mikrometer, etwa jeweils ca. 0,1 Mikrometer.
Die Steuerung 10 umfasst einen Mikrocontroller 101, der die Lichtquellen 3, 4 über jeweils vorgeschaltete Verstärker 104 ansteuert und das Detektorsignal der Lichtdetektoren 2, 5 verarbeitet. Mikrokontroller 101 betreibt gemäß bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Lichtquellen in einem gepulsten Betrieb. In vorliegender Ausführungsform werden die Leuchtdioden 3, 4 so angesteuert, dass sie Pulse fester Dauer aussenden.
Im Normalbetrieb, also die überaus meiste Zeit, wird lediglich Leuchtdiode 3 eingesetzt. Leuchtdiode 4 dient als Referenzlichtquelle und wird nur sporadisch, in regelmäßigen Abständen oder auch in unregelmäßigen Abständen innerhalb regelmäßiger Intervalle, beispielsweise täglich, wöchentlich, monatlich oder jährlich, zur Durchführung einer Referenzmessung kurz aktiviert.
Das von der jeweils aktiven Leuchtdiode also Primärleuchtdiode 3 im Normalbetrieb und Referenzleuchtdiode 4 bei einer Referenzmessung, ausgesendete Licht durchquert das Messvolumen 60 und interagiert mit den dort vorhandenen Gasmolekülen, bevor es durch die optischen Filter 21, 51 tritt und von den Photodioden 22, 52 detektiert wird, welche daraufhin ein zur detektierten Intensität im wesentlichen proportionales Detektorsignal erzeugen.
Dieses Detektorsignal wird erst durch die nachgeschalteten Verstärker 102 und 105 verstärkt und anschließend durch die A/D-Wandler 103 bzw. 106 digitalisiert und an den Mikrokontroller zur Auswertung weitergegeben. Bei einer Referenzmessung zeichnet der Mikrokontroller 101 die detektierten Intensitäten auf und verwendet sie zur Korrektur der detektierten Intensitäten in der anschließenden Normalbetriebsphase. Im Normalbetrieb werden die detektierten Intensitäten jeweils durch Multiplikation mit dem für sie maßgeblichen, in der letzten Referenzmessung ermittelten, Korrekturfaktor korrigiert und anschließend zur Bestimmung des Gasgehalts weiterverarbeitet. Dabei wird ein Verhältnis gebildet aus dem korrigierten Intensitätswert des primären Lichtdetektors 2 und dem korrigierten Intensitätswert des Referenzdetektors 5. Aus diesem Verhältnis wird dann der Gehalt des zu messenden Gases bestimmt.
2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors, welche mit variablen Pulsdauern arbeitet und den Gasgehalt anhand der gemessenen Pulsdauer bestimmt. Der Aufbau des Gassensors 1 stimmt weitgehend mit dem der ersten Ausführungsform aus 1 überein, mit dem Unterschied, dass anstelle von A/D-Wandlern jeweils ein Summierer 108, 108' und ein Schwellwertschalter 109, 109' den Verstärkern 102 und 105 der Lichtdetektoren 2, 5 nachgeschaltet sind. Der Mikrokontroller aktiviert, je nach Betriebsmodus Normalbetrieb/Referenzmessung die Primär-LED 3 oder die Referenz-LED 4, solange, bis die durch den Summierer 108 des primären Lichtdetektors 2 aufsummierte detektierte Intensität des Schwellwertschalters 109 den eingestellten Schwellwert erreicht. Hierbei wird die benötigte Pulsdauer gemessen. Daraufhin wird dieser Vorgang für den Referenzdetektor 5 wiederholt. Aus den beiden Pulsdauern wird dann der Gasgehalt bestimmt und ausgegeben.
Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass etwaige Nichtlinearitäten der A/D Wandler nicht das Ergebnis beeinflussen. In weiteren Varianten der Ausführungsform, in denen auch auf die Verstärker 102 und 105 verzichtet wird, können auch deren Nichtlinearitätsfehler vermieden werden. Dies macht zwar eine längere Pulsdauer erforderlich, die Dauer einer Einzelmessung bleibt hierbei jedoch im Bereich einer bis einiger Sekunden.
Bezugszeichenliste

1: Gassensor
2: primärer Lichtdetektor
21: optischer Filter im Absorptionsbereich
22: Photodiode
3: Leuchtdiode, Primärlichtquelle
4: Leuchtdiode, Referenzlichtquelle
5: Referenzlichtdetektor
51: optischer Filter im Transparenzbereich
52: Photodiode
6: Gehäuse
61: Einlass
62: Auslass
63: Partikelfilter
10: Steuerung
101: Mikrokontroller
102: Verstärker für 2
103: A/D-Wandler für 2
104: Vverstärker
105: Verstärker für 5
106: A/D-Wandler für 5
108, 108': Summierer
109, 109': Schwellwertschalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001503865 T [0005]
EP 3051274 A1 [0006]

Claims

Gassensor zur Messung des Anteils eines Gases in einem Gasgemisch, umfassend - mindestens einen Lichtdetektor (2,5), welcher zumindest in einem Spektralbereich empfindlich ist (Empfindlichkeitsbereich), der ein Absorptionsband von Molekülen des zu messenden Gases enthält und ein analoges Detektorsignal ausgibt, welches eine innerhalb des Empfindlichkeitsbereichs detektierte Lichtintensität repräsentiert, insbesondere dazu proportional ist, - mindestens eine Primärlichtquelle (3), welche Licht eines Spektrums aussendet, das mit dem Empfindlichkeitsbereich überlappt, - eine Steuerung (10), zur Ansteuerung der Primärlichtquelle (3) und Auswertung des Detektorsignals, wobei die Steuerung (10) aus dem Detektorsignal ein analoges oder digitales Messsignal (M) erzeugt, welches den Anteil des zu messenden Gases repräsentiert, gekennzeichnet durch mindestens eine von der Primärlichtquelle (3) verschiedene Referenzlichtquelle (4), wobei die Steuerung (10) dazu vorbereitet ist, in einem Normalbetrieb ausschließlich eine oder mehrere der Primärlichtquellen (3) zu verwenden, und in einem Referenzmessbetrieb ausschließlich eine oder mehrere der Referenzlichtquellen (4) zu verwenden, und wobei eine zeitliche Dauer des Normalbetriebs viel größer ist als eine zeitliche Dauer des Referenzm essbetriebs.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärlichtquelle (3) und/oder die Referenzlichtquelle (4) eine Leuchtdiode ist.
Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Referenzlichtquellen (4) und eine der Primärlichtquellen (3) baugleich sind, d. h. zu Beginn ihrer jeweiligen Lebensdauer eine gleiche Helligkeit sowie ein gleiches Emissionsspektrum aufweisen, insbesondere alle Lichtquellen (3, 4) baugleich sind.
Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtdetektor (2) eine Photodiode (22) und einen zwischen den Lichtquellen (3, 4) und der Photodiode (22) angeordneten Spektralfilter (21) umfasst, welcher im Wesentlichen nur Licht eines engen Spektralbereichs, welcher das Absorptionsband des zu messenden Gases enthält, passieren lässt.
Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (1) ein CO₂-Sensor ist, und der Empfindlichkeitsbereich des Lichtdetektors (2) den Wellenlängenbereich um 4,3 Mikrometer Wellenlänge enthält, insbesondere im Wesentlichen auf diesen beschränkt ist.
Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Referenzlichtdetektor (5) mit einem Empfindlichkeitsbereich, der auf Wellenlängenbereiche beschränkt ist, in welchem das zu messende Gas transparent ist, also die Moleküle des Gases keine Absorptionsbande aufweisen, wobei der Referenzlichtdetektor (5) insbesondere eine optischen Filter (51) und eine Photodiode (52) umfasst.
Gassensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils genau eine Primärlichtquelle (3), genau eine Referenzlichtquelle (4), genau ein Lichtdetektor und genau ein Referenzdetektor (5) vorhanden sind und die optischen Wege zwischen jeder der beiden Lichtquellen (3, 4) und jedem der beiden Detektoren (2, 5) gleich lang sind.
Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) - einen Verstärker (102) zur Verstärkung des Ausgangssignals des Lichtdetektors (2), und/oder - einen Verstärker (105) zur Verstärkung des Detektorsignals eines Referenzlichtdetektors (5), und/oder - einen Mikrokontroller (101) zur Ansteuerung der Lichtquellen (3, 4) und Weiterverarbeitung der analogen oder digitalisierten Detektorsignale.
Gassensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) - das dem Verstärker (102) des Lichtdetektors (2) ein Analog/Digitalwandler (103) zur Digitalisierung des Detektorsignals nachgeschaltet ist, und/oder - dem Verstärker (105) des Referenzlichtdetektors (5) ein Analog/Digitalwandler (106) zur Digitalisierung des Referenzdetektorsignals nachgeschaltet ist, - wobei die Steuerung (10), insbesondere einen Mikrocontroller (101) der Steuerung (10), die verstärkten, die gemessene Intensität repräsentierenden, Detektorsignale auswertet und den Gehalt des zu messenden Gases ableitet und ausgibt.
Gassensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) umfasst - einen dem Verstärker (102) nachgeschalteten Summierer (108) zum Aufsummieren des verstärkten Detektorsignals und einen dem Summierer (108) nachgeschalteten Schwellwertschalter (109), welcher auslöst, sobald ein eingestellter Detektorschwellwert erreicht wird, und/oder - einen dem Verstärker (105) nachgeschalteten Summierer (108')zum Aufsummieren des verstärkten Referenzdetektorsignals und einen dem Summierer (108') nachgeschalteten Schwellwertschalter (109') welcher auslöst, sobald ein eingestellter Referenzdetektorschwellwert erreicht wird, und - wobei die Steuerung (10), die jeweils verwendete Lichtquelle (3,4), im Normalbetrieb also die Primärlichtquelle (3) und im Referenzmessbetrieb die Referenzlichtquelle (4), nur solange betreibt, bis ein Schwellwert eines Schwellwertschalters (109, 109') erreicht ist, und als Messsignal die Pulsdauer zu erfassen und den Gehalt des zu messenden Gases hieraus ableitet und ausgibt.
Gassensor nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (6) mit einem Gaseinlass (61) und einem Gasauslass (62), wobei insbesondere ein Staubpartikelfilter (63) dem Gaseinlass vorgeschaltet ist.
Gassensor nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (3,4) und/oder die Lichtdetektoren (2,5) durch ein transparentes Fenster oder eine Umhüllung, insbesondere aus Glas oder Quarzglas von dem in das Innere des Gassensors vorhandenen Gasgemisch separiert sind.
Verfahren zum Betreiben eines Gassensors welcher umfasst: - mindestens einen Lichtdetektor (2,5), - mindestens zwei Lichtquellen (3,4), - eine Steuerung (10) zur Ansteuerung der Lichtquellen (3,4) und Auswertung eines, insbesondere analogen, Ausgangssignal der Lichtdetektoren (2,5), wobei die Steuerung anhand des Ausgangssignals ein Messsignal erzeugt und ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Referenzlichtquelle (4) der Lichtquellen (3) nur während eines Referenzmessbetriebes aktiviert wird, und - eine von der Referenzlichtquelle (4) verschiedene Primärlichtquelle (3) ausschließlich während eines Normalbetriebes aktiviert wird, - wobei Normal- und Referenzmessbetrieb zeitlich alternierend durchgeführt werden, und wobei - eine Dauer des Referenzmessbetriebes wesentlich kleiner ist als eine Dauer des Normalbetriebes.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder alle der Lichtquellen (3,4) im Normalbetrieb und/oder im Referenzmessbetrieb gepulst betrieben werden, wobei eine Periode der Pulse zwischen 10 ms und 1 s und eine Pulsdauer zwischen 1/10 bis 9/10 der Pulsperiode beträgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzmessbetrieb: - in Intervallen wiederholt wird, insbesondere in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen einmal pro Tag oder seltener, einmal pro Woche oder seltener, einmal pro Monat oder seltener oder einmal pro Jahr oder seltener, bevorzugt in Abständen, welche zwischen 0,1 % bis 10 %, besonders bevorzugt zwischen 0,1 % bis 2 %, einer erwarteten Lebensdauer der verwendeten Primärlichtquelle (3) entspricht, - in relativer Hinsicht ein zeitliche Dauer hat, welche 1/1.000 oder weniger, 1/100.000 oder weniger oder 1/1.000.000 oder weniger der Dauer des Normalbetriebs entspricht, - in absoluter Hinsicht 10 Sekunde oder weniger, bevorzugt 1 Sekunde oder weniger andauert, - zum ersten Mal erst nach einer Anfangsbetriebszeit durchgeführt wird, welche kürzer ist als eine Dauer nachfolgender Referenzmessintervalle, insbesondere die Hälfte oder ein Drittel dieser Dauer, bevorzugt zwischen 0,033 % und 5 %, , bevorzugt 0,033 % und 1 %, einer erwarteten Lebensdauer der verwendeten Primärlichtquelle (3).
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Lichtquellen (3,4) und/oder die Lichtdetektoren (2, 5) eine anfängliche Kalibrierung durchgeführt wird, bei der Primärlichtquelle (3) und Referenzlichtquelle (4) nacheinander aktiviert und die von den Lichtdetektoren (2, 5) erfasste Helligkeit als Vergleichswert gespeichert wird, wobei diese Kalibrierung insbesondere unter Verwendung zweier oder mehr unterschiedlicher Gase oder Gasgemische, bevorzugt unter Verwendung dreier oder mehr unterschiedlicher Gase oder Gasgemische durchgeführt wird.