DE102020107632A1

DE102020107632A1 - Gassensorsonde und Detektionsvorrichtung basierend auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion

Info

Publication number: DE102020107632A1
Application number: DE102020107632.0A
Authority: DE
Inventors: Tongyu Liu; Yanong Ning; Guangxian Jin; Hui Meng; Yanfang Li; Zhaowei Wang; Jie Hu
Original assignee: Laser Inst Of Shandong Academy Of Science; Laser Institute of Shandong Academy of Science
Current assignee: Laser Inst Of Shandong Academy Of Science; Laser Institute of Shandong Academy of Science
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2020-09-24
Also published as: GB202003977D0; GB2583023B; CN109839364A; GB2583023A

Abstract

Die vorliegende Anmeldung stellt eine Gassensorsonde und eine Detektionsvorrichtung bereit, die auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion basieren. Die Gassensorsonde umfasst ein Lichtquellenmodul, ein Spirallichtwegmodul und ein Detektormodul. Das Lichtquellenmodul ist konfiguriert, um ein paralleles Lichtsignal auszusenden. Das Spirallichtwegmodul umfasst mehrere Reflektoren und mehrere gerade Lichtwege, wobei jeder gerade Lichtweg in einem bestimmten Winkel mit einem benachbarten geraden Lichtweg Ende an Ende in Verbindung steht und spiralförmig nach innen verläuft. Mindestens ein Reflektor ist abnehmbar zwischen zwei benachbarten geraden Lichtwegen befestigt. Das Spirallichtwegmodul wird verwendet, um die optische Weglänge des Lichtsignals zu erhöhen. Das Lichtsignal tritt nach Durchlaufen des Spirallichtwegmoduls in das Detektormodul ein und wird in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der Aufbau des Spirallichtwegs mit Mehrpunktreflexion gemäß der Ausführungsform verringert nicht nur das Volumen der Absorptionszelle der Sensorsonde, sondern erhöht auch den optischen Messweg. Gleichzeitig werden die Stabilität und die Zuverlässigkeit des Lichtweges erheblich verbessert. Während die Schwierigkeit des Debuggens in der Produktion verringert wird, werden die Produktions- und Verarbeitungskosten verringert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft das Gebiet von Laserspektrum-Gassensoren und insbesondere eine Gassensorsonde, die auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion basiert.
STAND DER TECHNIK
Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundtechnologie im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung bereit und stellen nicht notwendigerweise den Stand der Technik dar.
In den letzten Jahren haben sich photoelektrische Messvorrichtungen zum Messen der Gaszusammensetzung und -konzentration mittels des Prinzips der Absorption von Infrarotlaserspektren in Richtung hoher Empfindlichkeit, vollem Messbereich, kleinem Volumen und niedriger Kosten entwickelt, um den ständig wachsenden Anforderungen der Erkennung der Umweltsicherheit und der Überwachung der Produktionssicherheit gerecht zu werden. Bei der TDLAS-Technologie (Tunable Diode Laser Absorption Spectrum) kann aufgrund der de Merkmalen einer guten Abstimmbarkeit und einer Linienbreite mit engem Spektrum eines Halbleiterlasers die Laserwellenlänge genau auf den Absorptionspeak des zu erfassenden Gases ausgerichtet sein, indem die Laserwellenlänge auf den Spektrumsabsorptionspeak des zu erfassenden Gases eingestellt wird, so dass eine schnelle Erfassung der Gaskonzentration realisiert werden kann und gleichzeitig Störungen anderer Gase bei der Messung vermieden werden. Mithilfe der fortschrittlichen digitalen Signalverarbeitungstechnologie kann dieser Sensortyp die gemessene Gaskonzentration kontinuierlich messen. Der neue Gassensor verfügt sowohl über automatische Diagnose- als auch Selbstkorrekturfunktionen, sodass diese Laserspektrum-Gassensoren in großem Umfang auf verschiedene Produktionsprozesse und Sicherheitsvorkehrungsbereiche angewendet werden können.
In praktischen technischen Anwendungen müssen Benutzer häufig bei Gewährleisten der Messgenauigkeit die Außenabmessungen der Gassensorsonde so weit wie möglich reduzieren. Bei einer Absorptionsgassensorsonde mit Infrarotlaserspektrum ist eine der Bauteile mit dem größten Volumen die Gaskammer bzw. die Gasabsorptionszelle des Gassensors, wobei die Gaskammer des Gassensors aus dem Raum zwischen der Laserquelle und dem Detektor besteht. Da die optische Messweglänge des Laserstrahls in der Gaskammer proportional zur Messgenauigkeit ist, erfordert ein hochpräziser Gassensor einen längeren optischen Messweg. Ein längerer optischer Messweg verlängert jedoch die Gaskammer, wodurch die Größe der Sensorsonde zunimmt. Wenn daher die Größe der Sensorsonde eingeschränkt wird, um die Gesamtlänge des optischen Messwegs zu erhöhen, wird der Lichtweg über eine Vielzahl von Spiegeln oder Reflektoren mehrmals in der Gaskammer reflektiert, wodurch das Ziel zum Erhöhen der optischen Messweglänge und Verringern des Volumens der Gaskammer und der Größe der Messsonde erreicht wird. Beispielsweise wird in der Patentanmeldung CN2017114551770 ein Lichtwegmodul mit vier Durchgangslöchern verwendet, wobei der Strahl in den vier Durchgangslöchern von drei Reflektoren reflektiert wird, um einen „rautenförmigen“ Messlichtweg zu bilden, wodurch die Größe der Messsonde reduziert wird. In der Patentanmeldung CN106908412A wird ein Lichtwegmodul mit zwei Reflektoren verwendet, wobei der Lichtweg durch zwei Reflektoren geändert wird, so dass der Lichtweg der Gaskammer bei gleichem Volumen mehr als verdoppelt wird, damit das Ziel, die Größe der Erfassungssonde zu verringern, dabei auch erreicht werden kann. Aber das Hauptproblem dieser optischen Wege der Messgaskammer besteht darin, dass der optische Messweg relativ kurz ist. Bei der Messung einiger Gase (wie CO), die einen längeren optischen Messweg erfordern, ist die Messgenauigkeit schwer zu verbessern.
Daher glauben die Erfinder, dass die folgenden Probleme zu lösen sind: (1) Der Entwicklungstrend der Miniaturisierung der Gassensorsonde verringert die Gaskammer weiter, und daher wird der optische Messweg weiter verringert, so dass die Messgenauigkeit nicht erhöht werden kann; (2) Bei der kombinierten Lichtweggestaltung muss der Lichtweg bei jeder Verwendung angepasst werden, sodass die Stabilität und Genauigkeit des Lichtweges nicht garantiert werden kann.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Um die Mängel des Standes der Technik zu beheben, stellt die vorliegende Anmeldung eine Gassensorsonde und eine Detektionsvorrichtung bereit, die auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion basieren, wobei die Gesamtlänge des optischen Messweges in dem Fall erhöht wird, dass die Außenabmessungen der Gassensorsonde fest sind, so dass die Messgenauigkeit der Gaskonzentration stark erhöht werden kann, und durch Einbetten des Spirallichtwegs in einen Block aus Metall oder synthetischem Material die Möglichkeit der Änderung der relativen Position jedes Elements stark verringert werden kann, wodurch die Stabilität und die Genauigkeit des Lichtwegesystems erhöht werden.
Um den obigen Zweck zu erreichen, werden in der vorliegenden Anmeldung die folgenden technischen Lösungen verwendet:
In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Anmeldung eine Gassensorsonde bereit, die auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion basiert;
Eine Gassensorsonde, die auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion basiert, umfasst ein Lichtquellenmodul, ein Spirallichtwegmodul und ein Detektormodul. Das Lichtquellenmodul ist konfiguriert, um ein paralleles Lichtsignal auszusenden. Das Spirallichtwegmodul umfasst mehrere Reflektoren und mehrere gerade Lichtwege, wobei jeder gerade Lichtweg in einem bestimmten Winkel mit einem benachbarten geraden Lichtweg Ende an Ende in Verbindung steht, wobei die geraden Lichtwege nacheinander verbunden sind und spiralförmig nach innen verlaufen, Mindestens ein Reflektor ist abnehmbar zwischen zwei benachbarten geraden Lichtwegen befestigt. Das Spirallichtwegmodul wird verwendet, um die optische Weglänge des Lichtsignals zu erhöhen. Das Lichtsignal tritt nach Durchlaufen des Spirallichtwegmoduls in das Detektormodul ein, und das Detektormodul wandelt das empfangene Lichtsignal in ein elektrisches Signal um.
In einigen möglichen Ausführungsformen ist jeder gerade Lichtweg vertikal zu einem benachbarten geraden Lichtweg.
In einigen möglichen Ausführungsformen ist ein Reflektor zwischen zwei benachbarten geraden Lichtwegen vorgesehen und der Winkel zwischen dem Reflektor und den beiden geraden Lichtwegen beträgt jeweils 45 °.
In einigen möglichen Ausführungsformen kann der Reflektor für den Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion ein flacher Reflektor sein, der in einem Winkel von 45 ° mit dem geraden Lichtweg auf eine Spiegelgrundplatte geklebt ist, oder eine Reflektoroberfläche, die durch optisches Polieren und Beschichten mit einem reflektierenden Film auf einer Spiegelgrundplatte gebildet wird, oder eine Reflektoroberfläche, die durch die Reflexionsebene eines 45°-Reflektorprismas gebildet wird.
In einigen möglichen Ausführungsformen ist die Anzahl der geraden Lichtwege N und die Anzahl der Reflektoren ist N-1, wobei N eine ganze Zahl ist und N· 5. Das Kopfende des ersten geraden Lichtwegs ist mit dem Lichtquellenmodul verbunden. Das vom Lichtquellenmodul ausgesendete parallele Licht tritt parallel zur Innenwand des ersten geraden Lichtwegs in den ersten geraden Lichtweg ein. Und das hintere Ende des ersten geraden Lichtweges steht mit dem Kopfende des zweiten geraden Lichtweges in Verbindung. Die restlichen Lichtwege sind auf der obigen Weise miteinander verbunden. Das hintere Ende des N-ten Lichtweges ist mit dem Sensormodul verbunden, um das Lichtsignal an das Sensormodul zu übertragen.
In einigen möglichen Ausführungsformen nimmt die Länge der N geraden Lichtwege allmählich ab. Das heißt, die Länge des ersten geraden Lichtwegs ist kleiner als die des zweiten geraden Lichtweges, die Länge des zweiten geraden Lichtweges ist geringer als die des dritten geraden Lichtweges, die Länge des dritten geraden Lichtweges ist geringer als die des vierten geraden Lichtweges, ... und die Länge des (N-1) -ten geraden Lichtweges ist geringer als die des N-ter gerader Lichtweg.
In einigen möglichen Ausführungsformen wird das Spirallichtwegmodul auf einem Blockmaterial hergestellt. Das Blockmaterial kann Metall, technischer Kunststoff oder synthetisches Material sein. Das Spirallichtwegmodul kann durch maschinelle Bearbeitung oder Präzisionsspritzguss hergestellt werden. Ferner ist eine erste Abdeckplatte enthalten, wobei die erste Abdeckplatte abnehmbar auf der Oberseite des Spirallichtwegs befestigt ist und konfiguriert ist, um das Ein- und Auslaufen eines zu erfassenden Gases zu steuern. Ein Hohlraum, der durch den Spirallichtweg und die erste Abdeckplatte gebildet wird, ist eine Gasabsorptionszelle zur Aufnahme des zu erfassenden Gases.
In einigen möglichen Ausführungsformen ist das Lichtquellenmodul eine VCSEL-Laserkollimationslichtquelle, die aus einer VCSEL-Laserquelle und einer parallelen Lichtlinse besteht. Der von der Laserkollimationslichtquelle emittierte parallele Lichtstrahl wird von N-1-Reflektoren reflektiert und dann von einem fotoelektrischen Detektor empfangen, um während der Messung ein elektrisches Signal auszugeben.
In einigen möglichen Ausführungsformen ist das Detektormodul ein fotoelektrischer Detektor, und eine Linse zum Fokussieren von parallelem Licht auf eine detektionsempfindliche Oberfläche ist vor dem fotoelektrischen Detektor vorgesehen.
In einigen möglichen Ausführungsformen sind ferner eine zweite Abdeckplatte, ein Treiberschaltungsmodul und ein Signalverarbeitungsmodul enthalten. Das Treiberschaltungsmodul ist konfiguriert, um das Lichtquellenmodul anzutreiben. Das Signalverarbeitungsmodul ist so konfiguriert, das elektrische Signal vom Detektormodul zu empfangen und eine Signalverarbeitung durchzuführen. Das Ansteuerschaltungsmodul und das Signalverarbeitungsmodul sind am unteren Teil des Spirallichtwegmoduls vorgesehen. Und das Spirallichtwegmodul ist in einem Gehäuse vorgesehen, das von der ersten Abdeckplatte und der zweiten Abdeckplatte gebildet ist.
In einigen möglichen Ausführungsformen ist die erste Abdeckplatte mit einem ersten Lufteinlass versehen, und der erste Lufteinlass ist mit einem Sinterfiltersieb versehen, durch das ein zu erfassendes Gas in die Gasabsorptionszelle diffundiert.
In einigen möglichen Ausführungsformen ist am Boden des Spirallichtwegmoduls ein erstes Durchgangsloch vorgesehen, das konfiguriert ist, um einen Sensor zum Erfassen des Drucks und der Temperatur der Gaskammer zu montieren.
In einigen möglichen Ausführungsformen ist die Innenwand des geraden Lichtwegs und der ersten Abdeckplatte mit einem schwarzen Beschichtungsfilm beschichtet, um reflektiertes Licht zu reduzieren.
In einigen möglichen Ausführungsformen, wenn der vom photoelektrischen Detektor empfangene, einfallende Laser durch das zu messenden Gas einer bestimmten Konzentration moduliert wird, enthält sein Ausgangssignal Informationen über die Absorptionsstärke des zu messenden Gases bei seinem Absorptionsspektrum.
In einigen möglichen Ausführungsformen wird die Häufigkeit, mit der der einfallende Strahl in dem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion reflektiert wird, durch die Abmessungen der Sensorsonde und die Breite des Lichtweges bestimmt, und die Häufigkeit von Mehrpunktreflexion bestimmt die Gesamtlänge des optischen Messweges des Strahls im reflektierten Lichtweg.
In einigen möglichen Ausführungsformen ist das Lichtquellenmodul mit dem Antriebsmodul verbunden, und das Detektormodul ist mit dem Signalverarbeitungsmodul verbunden.
In einigen möglichen Ausführungsformen ist die erfindungsgemäße photoelektrische Gassensorsonde in einem Edelstahlgehäuse mit einem Metallfiltersieb angeordnet.
In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Anmeldung eine photoelektrische Gasdetektionsvorrichtung bereit;
Eine photoelektrische Gasdetektionsvorrichtung umfasst eine photoelektrische Gassensorsonde basierend auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion nach der vorliegenden Anmeldung.
Im Vergleich zum Stand der Technik hat die vorliegende Anmeldung folgende vorteilhafte Wirkungen:
In der photoelektrischen Gassensorsonde, die auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion basiert, verwendet die Gasabsorptionszelle einen einzelnen zweidimensionalen Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion. Da der gesamte Lichtweg in ein integriertes Metall- oder Kunststoffmaterialmodul eingebettet ist, kann die Möglichkeit der Änderung der relativen Position jedes Elements verringert werden, wodurch die Stabilität und Genauigkeit des Lichtwegesystems verbessert werden.
In der vorliegenden Anmeldung wird der gesamte Lichtmessweg in der Absorptionszelle mittels Mehrfachstrahlreflexion eines zweidimensionalen Spirallichtweges mit Mehrpunktreflexion erhöht, was vorteilhaft ist, um das Erfassungssignal-Rausch-Verhältnis und die Messgenauigkeit zu verbessern.
Durch den zweidimensionalen Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion gemäß der vorliegenden Anmeldung wird das Volumen der Sensorsonde reduziert, so dass die Messreaktionszeit effektiv reduziert wird.
In der vorliegenden Anmeldung kann durch Verwendung eines Transceiving-Designs einer kollimierten Lichtquelle und eines fotoelektrischen Detektors mit einer Fokussierlinse und unter Verwendung der hohen Präzision und Dimensionsgleichmäßigkeit der Präzisionsbearbeitung die Präzision des Einfallswinkels der Spiegeloberfläche garantiert werden, so dass die Schwierigkeit beim Einstellen des Lichtweges in der praktischen Produktion verringert werden kann. Die erfindungsgemäße Gesamtkonstruktion verringert nicht nur die Komplexität des Produktionsprozesses, sondern erhöht auch die Ausbeute des Produkts und erleichtert die Massenproduktion.
In der Erfindung ist ein Durchgangsloch am Boden des Spirallichtwegmoduls zum Platzieren eines Temperatur- und Luftdrucksensors vorgesehen. Der Temperatur- und Luftdrucksensor ist konfiguriert, um die Temperatur und den Luftdruck in der Gasabsorptionszelle echtzeitig zu erfassen. Die gemessenen Temperatur- und Luftdruckinformationen werden zum Kompensieren der Parameteränderungen aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur und des lokalen Luftdrucks verwendet, so dass die Genauigkeit der Gasmessung weiter verbessert werden kann.
In der vorliegenden Anmeldung ist jeder gerade Lichtweg vertikal zu einem benachbarten geraden Lichtweg, ein Reflektor ist zwischen zwei benachbarten geraden Lichtwegen vorgesehen, und der eingeschlossene Winkel zwischen dem Reflektor und den beiden geraden Lichtwegen beträgt jeweils 45°. Die Gestaltung der zueinander senkrechten Lichtwege und die Einstellung von 45° Winkeln sind vorteilhaft für die Bearbeitung der Spirallichtwege und die Anordnung der Reflektoren zur Bildung eines Standardlichtweges, so dass die Stabilität und Messgenauigkeit des Lichtwegs erheblich verbessert werden kann.
In der vorliegenden Anmeldung ist die Anzahl der geraden Lichtwege N und die Anzahl der Reflektoren ist N-1, wobei N eine ganze Zahl ist und N• 5, d.h. die Anzahl der geraden Lichtwege ist mindestens 5, so dass der optische Messweg effektiv erhöht und die Messgenauigkeit verbessert werden kann.
Die Oberseite der erfindungsgemäßen oberen Abdeckung ist mit einem Sinterfiltersieb versehen, so dass Staub, Verunreinigungen und dergleichen wirksam daran gehindert werden können, in die Absorptionszelle einzutreten und die optischen Elemente auf dem Lichtweg zu verschmutzen. Ferner kann das Sinterfiltersieb bei der Wartung jederzeit ausgetauscht werden.
Der erfindungsgemäße Spirallichtweg ist in einem Gehäuse vorgesehen, das von der ersten Abdeckplatte und der zweiten Abdeckplatte umschlossen ist. Er ist leicht abzunehmen, um den Spirallichtweg zu warten, und kann auch die Stabilität des Lichtweges effektiv verbessern und damit die Auswirkungen der Umgebung auf den Lichtweg verringern.
Die Innenwand der erfindungsgemäßen Gasabsorptionszelle ist mit einem Beschichtungsfilm zur Reduzierung des reflektierten Lichts beschichtet, so dass die Übertragungsintegrität des Lichtsignals wirksam gewährleistet werden kann und sichergestellt wird, dass die Reflexionsübertragung nur über die Reflektoren realisiert wird.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung des Spirallichtwegs gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Anmeldung.
2 ist eine Seitenansicht des Spirallichtwegs gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Anmeldung.
3 ist eine schematische Darstellung des in Ausführungsform 1 der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Spirallichtwegs, der sich in einem Edelstahlgehäuse befindet.
4 ist eine schematische Darstellung des Spirallichtwegs gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Anmeldung.
5 ist eine Seitenansicht des Spirallichtwegs gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Anmeldung.
6 ist eine schematische Darstellung des in Ausführungsform 2 der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Spirallichtwegs, der sich in einem Edelstahlgehäuse befindet.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Es ist anzumerken, dass die folgenden detaillierten Beschreibungen veranschaulichend sind und weitere Erklärungen der vorliegenden Offenbarung liefern sollen. Sofern nicht anders angegeben, haben alle hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe dieselbe Bedeutung, wie sie von Fachleuten auf dem technischen Gebiet, zu dem diese Anmeldung gehört, allgemein verstanden werden.
Es ist anzumerken, dass die hier verwendete Terminologie nur zur Beschreibung spezifischer Ausführungsformen dient und nicht dazu gedacht ist, beispielhafte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Anmeldung einzuschränken. Wie hierin verwendet, soll die Singularform, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes anzeigt, auch die Pluralform einschließen. Zusätzlich sollte weiter verstanden werden, dass, wenn „umfassen“ und / oder „einschließen“ in der Erfindung verwendet werden / werden, dies anzeigt, dass es eine Eigenschaft, einen Schritt, eine Operation, eine Vorrichtung, eine Komponente und / oder eine Kombination davon gibt.
Ausführungsform 1:
Wie in den 1 - 3 gezeigt, stellt die Ausführungsform 1 der vorliegenden Anmeldung eine Gassensorsonde bereit, die auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion basiert, die umfasst: einen Lichtwegblock 1, ein Spirallichtwegmodul 3 bestehend aus fünf Reflektoren 2 und sechs geraden Lichtwegen, eine obere Abdeckung 9, eine untere Abdeckung 10, eine VCSEL-Laserkollimationslichtquelle 6, einen fotoelektrischen Detektor 4, eine Lichtquellentreiberschaltung 11 und eine fotoelektrische Detektorsignalverarbeitungsschaltung 12. Das Spirallichtwegmodul 3 wird auf einem Lichtwegblock 1 hergestellt. Jeder gerade Lichtweg steht in einem bestimmten Winkel mit einem benachbarten geraden Lichtweg Ende an Ende in Verbindung, und die geraden Lichtwege sind nacheinander verbunden und verlaufen spiralförmig nach innen. Der Lichtwegblock 1 kann ein festes Material wie ein Metall, ein Kunststoff oder ein synthetisches Material sein, und das Spirallichtwegmodul kann durch maschinelle Bearbeitung oder Präzisionsspritzguss ausgebildet sein.
Das Spirallichtwegmodul 3 ist in einem Edelstahlgehäuse vorgesehen, das aus der oberen Sondenabdeckung 9 und der unteren Sondenabdeckung 10 besteht. Die obere Abdeckung 9 und die untere Abdeckung 10 sind zylindrische Abdeckplatten. Die obere Abdeckung 9 ist am Oberteil des Spirallichtweges vorgesehen, und die untere Abdeckung 10 ist am Unterteil des Spirallichtweges vorgesehen. Die obere Abdeckung 9 ist mit einem ersten Lufteinlass 8 versehen. Der Hohlraum zwischen der Intrakavität des Spirallichtwegmoduls 3 und der oberen Abdeckung 9 bildet eine Gasabsorptionszelle. Die Innenwand der oberen Abdeckung 9 und des Spirallichtwegmoduls 3 ist mit einem schwarzen Beschichtungsfilm zur Reduzierung des reflektierten Lichts beschichtet, um die Interferenz von Streulicht zu verringern und Korrosion zu verhindern. Ein zu erfassendes Gas diffundiert über den ersten Lufteinlass 8, der mit einem Metallsinterfiltersieb 7 versehen ist, in die Gasabsorptionszelle. Das Metallsinterfiltersieb 7 ist konfiguriert, um Staub, Verunreinigungen und dergleichen wirksam daran zu hindern, in die Absorptionszelle einzutreten und die optischen Elemente auf dem Lichtweg zu verschmutzen, und das Metallsinterfiltersieb 7 kann bei der Wartung ausgetauscht werden, um eine gute Staubdichtigkeit aufrechtzuerhalten.
Die fünf Reflektoren 2 gemäß dieser Ausführungsform können ein flacher Reflektor sein, der in einem Winkel von 45° mit dem geraden Lichtweg auf eine Spiegelgrundplatte geklebt ist, oder eine Reflektoroberfläche, die durch optisches Polieren und Beschichten mit einem reflektierenden Film auf einer Spiegelgrundplatte gebildet wird, oder eine Reflektoroberfläche, die durch die Reflexionsebene eines 45°-Reflektorprismas gebildet wird. Die fünf Reflektoren 2 reflektieren einen entlang des geraden Lichtwegs einfallenden kollimierten Laserstrahl mehrmals. Das einfallende Licht und der reflektierte Lichtstrahl haben einen eingeschlossenen Winkel von 90°. Der mehrfach reflektierte Lichtstrahl erreicht den fotoelektrischen Detektor 4 und konvergiert dann über eine Fokussierlinse auf der lichtempfindlichen Oberfläche des fotoelektrischen Detektors 4, um ein elektrisches Signal zu bilden. In der Anmeldung kann der Winkel zwischen dem Reflektor 2 und zwei benachbarten geraden Lichtwegen nach Bedarf eingestellt werden, solange der Winkel zwischen dem einfallenden Licht und dem reflektierten Licht 90 ° beträgt.
Das Lichtquellenmodul gemäß dieser Ausführungsform ist eine intensitätseinstellbare Laserkollimationslichtquelle, die mit einem Lichtintensitätsdetektor ausgestattet ist. Die Laserquelle kann ein Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Kavität (VCSEL) mit geringer Verlustleistung oder ein DFB-Laser sein. In dieser Ausführungsform ist das Lichtquellenmodul eine VCSEL-Laserkollimationslichtquelle 6, die aus einer VCSEL-Laserquelle und einer parallelen Lichtlinse besteht. Die VCSEL-Laserquelle ist eine abstimmbare Stromquelle und kann von einer selbst ausgestatteten Abstimmschaltung abgestimmt werden. Ein Lichtintensitätsdetektor ist in der Verpackungskappe der VCSEL-Laserkollimationslichtquelle 6 angeordnet. Der Lichtintensitätsdetektor kann die Lichtintensitätsänderung der Laserquelle in Echtzeit erfassen.
Ein paralleler Lichtstrahl, der von der VCSEL-Laserkollimationslichtquelle 6 gemäß dieser Ausführungsform emittiert wird, wird von den fünf Reflektoren 2 in der Gasabsorptionszelle reflektiert. Zwischen der VCSEL-Laserkollimationslichtquelle 6 und dem ersten Reflektor, zwischen jeweils zwei Reflektoren und zwischen dem letzten Reflektor und dem Detektor existieren gerade Lichtwege unterschiedlicher Länge. Die Länge der geraden Lichtwege nimmt allmählich ab, oder bestimmte gerade Lichtwege darin können dieselbe Länge haben, aber der Gesamttrend ist, dass die Länge der geraden Lichtwege allmählich abnimmt. Wie in 1 gezeigt, kann die Länge der äußersten geraden Lichtwege, beispielsweise des ersten geraden Lichtweges, des zweiten geraden Lichtweges und des dritten geraden Lichtweges, gleich sein oder allmählich abnehmen. Und die Länge des vierten geraden Lichtweges, des fünften geraden Lichtweges und des sechsten geraden Lichtweges können gleich sein oder allmählich abnehmen. Diese geraden Lichtwege bilden eine spiralförmige Lichtwegstruktur. Die Länge jedes geraden Lichtweges kann auch nach Bedarf eingestellt werden, um den optischen Messweg so weit wie möglich zu erhöhen, damit die Messgenauigkeit verbessert wird. Der reflektierte Lichtstrahl wird vom fotoelektrischen Detektor 4 nach Durchlaufen des sechsten geraden Lichtwegs empfangen. Der fotoelektrische Detektor 4 ist mit dem Signalverarbeitungsmodul des fotoelektrischen Detektors verbunden. Nach der Signalverarbeitung wird das vom Lichtdetektor gemessene und empfangene Lichtsignal von einer Ausgangssignalleitung in Form eines digitalen Signals ausgegeben.
Am Boden des Spirallichtwegmoduls 3 ist ein erstes Durchgangsloch 5 vorgesehen, in dem ein Temperatur- und Luftdrucksensor zum echtzeitigen Erfassen der Temperatur und des Luftdrucks in der Gasabsorptionszelle angeordnet ist. Die gemessenen Temperatur- und Luftdruckinformationen werden zum Kompensieren der Parameteränderungen aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur und des lokalen Luftdrucks verwendet, damit die Genauigkeit der Gasmessung weiter verbessert werden kann.
Die Sensorsonde gemäß dieser Ausführungsform umfasst ferner eine elektronische Verarbeitungsschaltung zum Modulieren der Lichtstärke der Laserquelle und zum Verstärken und Einstellen des Messsignals des Lichtdetektors. Das Leistungstreibermodul 11 und das Signalverarbeitungsmodul 12 für einen fotoelektrischen Detektor sind unter dem Spirallichtwegmodul 3 angeordnet und durch die untere Abdeckung 10 geschützt.
Das Arbeitsprinzip der in Ausführungsform 1 der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Gassensorsonde ist:
Im Arbeitszustand ist die VCSEL-Laserkollimationslichtquelle 6 abgestimmt und sendet ein paralleles Licht aus. Der parallele Lichtstrahl wird nacheinander von fünf Reflektoren 2 reflektiert und erreicht den fotoelektrischen Detektor 4 und wird dann vom fotoelektrischen Detektor 4 empfangen, um ein Messsignal zu bilden. Da das vom fotoelektrischen Detektor empfangene Lichtsignal durch das zu erfassende Gas moduliert wird, enthält das Ausgangssignal Informationen über das Absorptionsspektrum des zu erfassenden Gases und wird von dem mit dem fotoelektrischen Detektor verbundenen Signalverarbeitungsmodul verarbeitet, um ein Messsignal zum Messen der Gaskonzentration zu bilden. Der Aufbau des Spirallichtweges mit Mehrpunktreflexion gemäß der Ausführungsform verringert nicht nur das Volumen der Absorptionszelle der Sensorsonde, sondern erhöht auch den optischen Messweg. Gleichzeitig werden die Stabilität und die Zuverlässigkeit des Lichtweges erheblich verbessert. Während die Schwierigkeit des Debuggens in der Produktion verringert wird, werden die Produktions- und Verarbeitungskosten verringert.
Die vorliegende Anmeldung stellt auch eine photoelektrische Gasdetektionsvorrichtung bereit, umfassend eine in der Ausführungsform 1 der vorliegenden Anmeldung beschriebene photoelektrische Gassensorsonde.
Ausführungsform 2:
Wie in den 4 bis 6 dargestellt wird, stellt die Ausführungsform 2 der vorliegenden Anmeldung eine Gassensorsonde bereit, die auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion basiert, die umfasst: einen Lichtwegblock 1, ein Spirallichtwegmodul 3 bestehend aus dreizehn Reflektoren 2 und vierzehn geraden Lichtwegen, eine obere Abdeckung 9, eine untere Abdeckung 10, eine VCSEL-Laserkollimationslichtquelle 6, einen fotoelektrischen Detektor 4, eine Lichtquellentreiberschaltung 11 und eine fotoelektrische Detektorsignalverarbeitungsschaltung 12. Das Spirallichtwegmodul 3 wird auf einem Lichtwegblock 1 hergestellt. Jeder gerade Lichtweg steht in einem bestimmten Winkel mit einem benachbarten geraden Lichtweg Ende an Ende in Verbindung, und die geraden Lichtwege sind nacheinander verbunden und verlaufen spiralförmig nach innen. Der Lichtwegblock 1 kann ein festes Material wie ein Metall, ein Kunststoff oder ein synthetisches Material sein, und das Spirallichtwegmodul kann durch maschinelle Bearbeitung oder Präzisionsspritzguss ausgebildet sein.
Das Spirallichtwegmodul 3 ist in einem Edelstahlgehäuse vorgesehen, das aus der oberen Sondenabdeckung 9 und der unteren Sondenabdeckung 10 besteht. Die obere Abdeckung 9 und die untere Abdeckung 10 sind rechteckige säulenförmige Abdeckplatten. Die obere Abdeckung 9 ist am Oberteil des Spirallichtweges vorgesehen, und die untere Abdeckung 10 ist am Unterteil des Spirallichtweges vorgesehen. Die obere Abdeckung 9 ist mit einem ersten Lufteinlass 8 versehen. Der Hohlraum zwischen der Intrakavität des Spirallichtwegmoduls 3 und der oberen Abdeckung 9 bildet eine Gasabsorptionszelle. Die Innenwand der oberen Abdeckung 9 und des Spirallichtwegmoduls 3 ist mit einem schwarzen Beschichtungsfilm zur Reduzierung des reflektierten Lichts beschichtet, um die Interferenz von Streulicht zu verringern und Korrosion zu verhindern. Ein zu erfassendes Gas diffundiert über den ersten Lufteinlass 8, der mit einem Metallsinterfiltersieb 7 versehen ist, in die Gasabsorptionszelle. Das Metallsinterfiltersieb 7 ist konfiguriert, um Staub, Verunreinigungen und dergleichen wirksam daran zu hindern, in die Absorptionszelle einzutreten und die optischen Elemente auf dem Lichtweg zu verschmutzen, und das Metallsinterfiltersieb 7 kann bei der Wartung ausgetauscht werden, um eine gute Staubdichtigkeit aufrechtzuerhalten.
Die dreizehn Reflektoren 2 gemäß dieser Ausführungsform können ein flacher Reflektor sein, der in einem Winkel von 45° mit dem geraden Lichtweg auf eine Spiegelgrundplatte geklebt ist, oder eine Reflektoroberfläche, die durch optisches Polieren und Beschichten mit einem reflektierenden Film auf einer Spiegelgrundplatte gebildet wird, oder eine Reflektoroberfläche, die durch die Reflexionsebene eines 45°-Reflektorprismas gebildet wird. Die dreizehn Reflektoren 2 reflektieren einen entlang des geraden Lichtwegs einfallenden kollimierten Laserstrahl mehrmals. Das einfallende Licht und der reflektierte Lichtstrahl haben einen eingeschlossenen Winkel von 90°. Der mehrfach reflektierte Lichtstrahl erreicht den fotoelektrischen Detektor 4 und konvergiert dann über eine Fokussierlinse auf der lichtempfindlichen Oberfläche des fotoelektrischen Detektors 4, um ein elektrisches Signal zu bilden;
In der Anmeldung kann der Winkel zwischen dem Reflektor 2 und zwei benachbarten geraden Lichtwegen nach Bedarf eingestellt werden, solange der Winkel zwischen dem einfallenden Licht und dem reflektierten Licht 90° beträgt.
Das Lichtquellenmodul gemäß dieser Ausführungsform ist eine intensitätseinstellbare Laserkollimationslichtquelle, die mit einem Lichtintensitätsdetektor ausgestattet ist. Die Laserquelle kann ein Oberflächenemittierendem Laser mit vertikalem Kavität (VCSEL) mit geringer Verlustleistung oder ein DFB-Laser sein. In dieser Ausführungsform ist das Lichtquellenmodul eine VCSEL-Laserkollimationslichtquelle 6, die aus einer VCSEL-Laserquelle und einer parallelen Lichtlinse besteht. Die VCSEL-Laserquelle ist eine abstimmbare Stromquelle und kann von einer selbst ausgestatteten Abstimmschaltung abgestimmt werden. Ein Lichtintensitätsdetektor ist in der Verpackungskappe der VCSEL-Laserkollimationslichtquelle 6 angeordnet. Der Lichtintensitätsdetektor kann die Lichtintensitätsänderung der Laserquelle in Echtzeit erfassen.
Ein paralleler Lichtstrahl, der von der VCSEL-Laserkollimationslichtquelle 6 gemäß dieser Ausführungsform emittiert wird, wird von den dreizehn Reflektoren 2 in der Gasabsorptionszelle reflektiert. Zwischen der VCSEL-Laserkollimationslichtquelle 6 und dem ersten Reflektor, zwischen jeweils zwei Reflektoren und zwischen dem letzten Reflektor und dem Detektor existieren gerade Lichtwege unterschiedlicher Länge. Die Länge der geraden Lichtwege nimmt allmählich ab, oder bestimmte gerade Lichtwege darin können dieselbe Länge haben, aber der Gesamttrend ist, dass die Länge der geraden Lichtwege allmählich abnimmt. Wie in 4 gezeigt, kann die Länge der äußersten geraden Lichtwege, beispielsweise des ersten geraden Lichtweges, des zweiten geraden Lichtweges und des dritten geraden Lichtweges, gleich sein oder allmählich abnehmen. Und die Länge des vierten geraden Lichtweges und des fünften geraden Lichtweges können gleich sein oder allmählich abnehmen. Die Länge des sechsten geraden Lichtweges und des siebten geraden Lichtweges können gleich sein oder allmählich abnehmen. Die Länge des achten geraden Lichtweges und des neunten geraden Lichtweges können gleich sein oder allmählich abnehmen. Die Länge des zehnten geraden Lichtweges und des elften geraden Lichtweges können gleich sein oder allmählich abnehmen. Die Länge des zwölften geraden Lichtweges und des dreizehnten geraden Lichtweges können gleich sein oder allmählich abnehmen. Diese geraden Lichtwege bilden eine spiralförmige Lichtwegstruktur. Die Länge jedes geraden Lichtweges kann auch nach Bedarf eingestellt werden, um den optischen Messweg so weit wie möglich zu erhöhen, damit die Messgenauigkeit verbessert wird. Der reflektierte Lichtstrahl wird vom fotoelektrischen Detektor 4 nach Durchlaufen des vierzehnten geraden Lichtwegs empfangen. Die erfindungsgemäßen geraden Lichtwege bilden eine spiralförmige Lichtwegstruktur. Der reflektierte Lichtstrahl wird vom fotoelektrischen Detektor 4 empfangen. Der fotoelektrische Detektor 4 ist mit dem Signalverarbeitungsmodul des fotoelektrischen Detektors verbunden. Nach der Signalverarbeitung wird das vom Lichtdetektor gemessene und empfangene Lichtsignal von einer Ausgangssignalleitung in Form eines digitalen Signals ausgegeben.
Am Boden des Spirallichtwegmoduls 3 ist ein erstes Durchgangsloch 5 vorgesehen, in dem ein Temperatur- und Luftdrucksensor zum echtzeitigen Erfassen der Temperatur und des Luftdrucks in der Gasabsorptionszelle angeordnet ist. Die gemessenen Temperatur- und Luftdruckinformationen werden zum Kompensieren der Parameteränderungen aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur und des lokalen Luftdrucks verwendet, damit die Genauigkeit der Gasmessung weiter verbessert werden kann.
Die Sensorsonde gemäß dieser Ausführungsform umfasst ferner eine elektronische Verarbeitungsschaltung zum Modulieren der Lichtstärke der Laserquelle und zum Verstärken und Einstellen des Messsignals des Lichtdetektors. Das Leistungstreibermodul 11 und das Signalverarbeitungsmodul 12 für einen fotoelektrischen Detektor sind unter dem Spirallichtwegmodul 3 angeordnet und durch die untere Abdeckung 10 geschützt.
Das Arbeitsprinzip der in Ausführungsform 2 der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Gassensorsonde ist:
Im Arbeitszustand ist die VCSEL-Laserkollimationslichtquelle 6 abgestimmt und sendet ein paralleles Licht aus. Der parallele Lichtstrahl wird nacheinander von dreizehn Reflektoren 2 reflektiert und erreicht den fotoelektrischen Detektor 4 und wird dann vom fotoelektrischen Detektor 4 empfangen, um ein Messsignal zu bilden. Da das vom fotoelektrischen Detektor empfangene Lichtsignal durch das zu erfassende Gas moduliert wird, enthält das Ausgangssignal Informationen über das Absorptionsspektrum des zu erfassenden Gases und wird von dem mit dem fotoelektrischen Detektor verbundenen Signalverarbeitungsmodul verarbeitet, um ein Messsignal zum Messen der Gaskonzentration zu bilden. Der Aufbau des Spirallichtweges mit Mehrpunktreflexion gemäß der Ausführungsform verringert nicht nur das Volumen der Absorptionszelle der Sensorsonde, sondern erhöht auch den optischen Messweg. Gleichzeitig werden die Stabilität und die Zuverlässigkeit des Lichtweges erheblich verbessert. Während die Schwierigkeit des Debuggens in der Produktion verringert wird, werden die Produktions- und Verarbeitungskosten verringert.
Die vorliegende Anmeldung stellt auch eine photoelektrische Gasdetektionsvorrichtung bereit, umfassend eine in der Ausführungsform 2 der vorliegenden Anmeldung beschriebene photoelektrische Gassensorsonde.
Das Obige sind nur bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung und sollen die vorliegende Anmeldung nicht einschränken. Für den Fachmann kann die vorliegende Anmeldung verschiedene Modifikationen und Änderungen aufweisen. Jede Änderung, gleichwertige Ersetzung, Verbesserung usw. im Sinne und Grundsatz dieser Anmeldung sollte in den Schutzumfang dieser Anmeldung aufgenommen werden.
Bezugszeichenliste

1: Lichtwegblock;
2: Reflektor;
3: Spirallichtweg;
4: fotoelektrischer Detektor;
5: erstes Durchgangsloch;
6: VCSEL-Laserkollimationslichtquelle;
7: Metallsinterfiltersieb;
8: erster Lufteinlass;
9: obere Abdeckung;
10: untere Abdeckung;
11: Leistungsantriebsmodul;
12: Signalverarbeitungsmodul für fotoelektrische Detektoren.

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

CN 2017114551770 [0004]
CN 106908412 A [0004]

Claims

Gassensorsonde basierend auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion, aufweisend: ein Lichtquellenmodul, ein Spirallichtwegmodul, und ein Detektormodul, wobei das Lichtquellenmodul konfiguriert ist, um ein paralleles Lichtsignal auszusenden, wobei das Spirallichtwegmodul mehrere Reflektoren und mehrere gerade Lichtwege umfasst, wobei jeder gerade Lichtweg in einem bestimmten Winkel mit einem benachbarten geraden Lichtweg Ende an Ende in Verbindung steht, wobei die geraden Lichtwege nacheinander verbunden sind und spiralförmig nach innen verlaufen, wobei mindestens ein Reflektor abnehmbar zwischen zwei benachbarten geraden Lichtwegen befestigt ist, wobei das Lichtsignal nach Durchlaufen des Spirallichtwegmoduls in das Detektormodul eintritt, und wobei das Detektormodul das empfangene Lichtsignal in ein elektrisches Signal umwandelt.
Gassensorsonde basierend auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder gerade Lichtweg vertikal zu einem benachbarten geraden Lichtweg ist.
Gassensorsonde basierend auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflektor zwischen zwei benachbarten geraden Lichtwegen vorgesehen ist und der Winkel zwischen dem Reflektor und den beiden geraden Lichtwegen jeweils 45° beträgt.
Gassensorsonde basierend auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der geraden Lichtwege N und die Anzahl der Reflektoren N-1 ist, wobei N eine ganze Zahl ist, und N • 5.
Gassensorsonde basierend auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spirallichtwegmodul auf einem Block hergestellt ist und ferner eine erste Abdeckplatte umfasst, wobei die erste Abdeckplatte abnehmbar auf der Oberseite des Spirallichtweges befestigt ist und konfiguriert ist, um das Ein- und Auslaufen eines zu erfassenden Gases zu steuern, und wobei ein Hohlraum, der durch den Spirallichtweg und die erste Abdeckplatte gebildet wird, eine Gasabsorptionszelle zur Aufnahme des zu erfassenden Gases ist.
Gassensorsonde basierend auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion nach Anspruch 5, gekennzeichnet ferner durch eine zweite Abdeckplatte, ein Treiberschaltungsmodul und ein Signalverarbeitungsmodul, wobei das Treiberschaltungsmodul konfiguriert ist, um das Lichtquellenmodul anzutreiben, wobei das Signalverarbeitungsmodul so konfiguriert ist, das elektrische Signal vom Detektormodul zu empfangen und eine Signalverarbeitung durchzuführen, wobei das Ansteuerschaltungsmodul und das Signalverarbeitungsmodul am unteren Teil des Spirallichtwegmoduls vorgesehen sind, und wobei das Spirallichtwegmodul in einem Gehäuse vorgesehen ist, das von der ersten Abdeckplatte und der zweiten Abdeckplatte gebildet ist.
Gassensorsonde basierend auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abdeckplatte mit einem ersten Lufteinlass versehen ist und der erste Lufteinlass mit einem Filtersieb versehen ist, durch das das zu erfassende Gas in die Gasabsorptionszelle diffundiert.
Gassensorsonde basierend auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Boden des Spirallichtwegmoduls ein erstes Durchgangsloch angeordnet ist, in dem ein Drucksensor und ein Temperatursensor vorgesehen sind.
Gassensorsonde basierend auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand der Gasabsorptionszelle, die aus dem linearen Lichtweg und der ersten Abdeckplatte besteht, mit einer Beschichtung zum Reduzieren des reflektierten Lichts beschichtet ist.
Photoelektrische Gasdetektionsvorrichtung, umfassend die photoelektrische Gassensorsonde basierend auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion nach einem der Ansprüche 1 bis 9.