DE10202786A1

DE10202786A1 - Selective infrared absorption sensor comprises absorption path, interference filter and detector to determine presence of a gas in ambient air

Info

Publication number: DE10202786A1
Application number: DE2002102786
Authority: DE
Inventors: Gerhard Wiegleb
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2003-08-14

Abstract

A selective infrared absorption sensor detects the presence of a gas in ambient air and comprises an absorption path (1), an interference filter (2) and a detector (3). The assembly has especially two or more infrared radiation sources at different distances (L1, L2) from the detector, and generate different signals in the detector. Because both signals are equally dependent upon detector (3) temperature measuring errors, the interference filter (2) and other electronic components, the errors can be eliminated by the quotient U = M1 (T1) - M2 (T1) / M1(T1) + (M2)(T1), where M is a reference signal, T is a temperature and U is a characteristic curve. The two infrared sensors are repeatedly turned on and off at different times or at the same time.

Description

Infrarotgassensoren werden für vielfältige Anwendungen in der Technik, mit großem Erfolg eingesetzt. Neben den physikalisch, definierten Eigenschaften dieser Sensoren spielen vor allem die hohe Zuverlässigkeit eine große Rolle. Ein Nachteil dieser Sensoren sind allerdings die großen Temperatureinflusseffekte, die insbesondere bei Anwendungen in großen Temperaturbereichen von ΔT = -40°C bis 80°C auftreten können. Eine typische Anwendung, die diesen Temperatureinsatzbereich zwingend erfordert, ist die Fahrzeugtechnik. Infrared gas sensors are used for a variety of applications in technology, with large Success used. In addition to the physically defined properties of these The high reliability of sensors plays a major role. A disadvantage of these sensors, however, are the major temperature effects especially for applications in large temperature ranges from ΔT = -40 ° C to 80 ° C can occur. A typical application that this Vehicle technology is a mandatory requirement for the temperature range.

Eine wesentliche Ursache für diesen Temperaturfehler sind z. B. die reversiblen Veränderungen der Zentralwellenlänge (λ_max.), der Halbwertsbreite (Δλ) und der Transmission (T) der notwendigen Interferenzfilter (2). Je nach Anwendungsfall wird die Zentralwellenlänge (λ_max.) auf das Maximum der Absorptionsbande (z. B. 4,3 µm für Methan und 4,3 µm für Kohlendioxid) abgestimmt. A major cause of this temperature error are e.g. B. the reversible changes in the central wavelength (λ _max. ), The full width at half _maximum (Δλ) and the transmission (T) of the necessary interference filter ( 2 ). Depending on the application, the central wavelength (λ _max. ) Is tuned to the maximum of the absorption band (e.g. 4.3 µm for methane and 4.3 µm for carbon dioxide).

Für industrielle Anwendungen existieren im wesentlichen drei Möglichkeiten den Temperaturfehler zu reduzieren. Zum einen kann der gesamte Sensoraufbau auf einer konstante Temperatur thermostatisiert werden. Die Solltemperatur muss dann allerdings oberhalb der maximalen Arbeitstemperatur liegen, um eine genau Temperaturregelung zu gewährleisten. Nachteile dieser Lösung sind allerdings eine hohe elektrische Leistungsaufnahme, lange Anwärmzeiten und permanent hohe Sensortemperaturen, die zu einem frühzeitigen Ausfall führen können. Mit einer optischen Referenzmessung, durch einen zweiten Detektor in einem anderen Spektralbereich (z. B. 4 µm), ohne Absorption durch das zu messende Gas, kann ein Referenzsignal erzeugt werden. Dieses Referenzsignal hat aber nicht exakt den gleichen Temperaturfehler, so daß ein nicht zu vernachlässigender Restfehler übrig bleibt. Zusätzliche Bauteilekosten durch den Referenzdetektor sind außerdem für kostengünstige Anwendungen in der Fahrzeugtechnik nicht opportun. Eine weitere Möglichkeit besteht in der individuellen Aufnahme der Temperaturfehler und anschließenden Verrechnung der Messergebnisse in einem Mikrocontroller. Diese Maßnahme führt in der Fertigung zu hohen Kosten, da die Aufnahme einer individuellen Temperaturkennlinie sehr zeitaufwendig ist und ein weiteres Sensorsignal zur Temperaturmessung benötigt wird. There are essentially three options for industrial applications Reduce temperature errors. On the one hand, the entire sensor structure can be thermostatted at a constant temperature. The target temperature must then however, be above the maximum working temperature by exactly one To ensure temperature control. However, disadvantages of this solution are one high electrical power consumption, long warm-up times and permanently high Sensor temperatures that can lead to premature failure. With a optical reference measurement, by a second detector in another Spectral range (e.g. 4 µm) without absorption by the gas to be measured can be a Reference signal are generated. However, this reference signal does not have exactly that same temperature error, so that a residual error that cannot be neglected remains remains. Additional component costs through the reference detector are also for inexpensive applications in vehicle technology are not opportune. Another It is possible to record the temperature errors and individually subsequent calculation of the measurement results in a microcontroller. This Measure leads to high costs in production because the inclusion of a individual temperature characteristic is very time consuming and another Sensor signal for temperature measurement is required.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Gassensor zu schaffen, der einen reduzierten Temperaturfehler aufweist und kostengünstig herzustellen ist. The invention is therefore based on the object of a generic gas sensor to create, which has a reduced temperature error and inexpensive is to be produced.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. The solution of the task according to the invention results from the characterizing Features of claim 1 in cooperation with the features of Preamble. Further advantageous refinements of the invention result from the subclaims.

Die Erfindung hinsichtlich des Gassensors geht davon aus, daß zwei Strahlungsquellen eingesetzt werden, die lediglich ca. 1/10 der Herstellungskosten eines Detektors entsprechen und somit nur zu geringen Mehrkosten führen. In Fig. 1 ist die prinzipielle Anordnung der beiden Strahlungsquellen zum Detektor (3) dargestellt. Das zu messende Gas befindet sich dabei sowohl in der Absorptionsstrecke (1) die sich zwischen dem Strahler (4) und dem Detektor (3) befindet, als auch zwischen dem Strahler (5) und dem Detektor (3). Da beide Strahlungsquellen unterschiedliche Entfernungen (L₁ und L₂) zum Detektor aufweisen, ist die Absorption durch das zu messende Gas nach dem Lambert-Beerschen-Gesetz auch sehr unterschiedlich.

I(c) = I₀e^- ^α ^cL

I(c) = Intensität bei einer Gaskonzentration c
I₀ = Intensität bei c = 0
c = Gaskonzentration
α = Absorptionskoeffizient
L = Anstand (optischer Weg) zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfangsdetektor The invention with regard to the gas sensor is based on the fact that two radiation sources are used which only correspond to approximately 1/10 of the manufacturing costs of a detector and thus only lead to low additional costs. In Fig. 1 the basic arrangement of the two radiation sources to the detector ( 3 ) is shown. The gas to be measured is located both in the absorption path ( 1 ) which is located between the radiator ( 4 ) and the detector ( 3 ), and between the radiator ( 5 ) and the detector ( 3 ). Since the two radiation sources are at different distances (L ₁ and L ₂ ) from the detector, the absorption by the gas to be measured is also very different according to the Lambert-Beerschen law.

I (c) = I ₀ e ^- ^α ^cL

I (c) = intensity at a gas concentration c
I ₀ = intensity at c = 0
c = gas concentration
α = absorption coefficient
L = distance (optical path) between the radiation source and the reception detector

Die Signale ergeben sich dann aus der Intensität I(c) und einem linearen Umwandlungsfaktor F. In diesem Faktor ist u. a. die im Detektor (3) integrierte analoge Verstärkung der Sensorsignale enthalten. Als Detektor kann z. B. ein pyroelektrisches Element eingesetzt werden. Die sehr kleinen Detektorsignale müssen, um Störungen von außen zu reduzieren, möglich nahe zum Element verstärkt werden. Dazu werden in der Regel integrierte FET-Verstärker eingesetzt.

M1 = F₁.I₁(c)

M2 = F₂.I₂(c)

The signals then result from the intensity I (c) and a linear conversion factor F. This factor includes the analog amplification of the sensor signals integrated in the detector ( 3 ). As a detector z. B. a pyroelectric element can be used. The very small detector signals must be amplified as close as possible to the element in order to reduce external interference. Integrated FET amplifiers are generally used for this.

M1 = F ₁ .I ₁ (c)

M2 = F ₂ .I ₂ (c)

Man erhält daher in Abhängigkeit von der Gaskonzentration c zwei unterschiedliche Signale M1 und M2, die sich aus dem Lambert-Beerschen-Gesetz ergeben. Da der Temperaturfehler, resultierend aus dem Detektor (3) und dem Interferenzfilter (2), für beide Signale gleich ist, kann er durch eine mathematische Verknüpfung eliminiert werden. Dies gilt auch für den Temperaturfehler des Umwandlungsfaktors F. Da nur ein Detektor (3) eingesetzt wird ist F₁ = F₂. Depending on the gas concentration c, two different signals M1 and M2 are obtained, which result from the Lambert-Beerschen law. Since the temperature error resulting from the detector ( 3 ) and the interference filter ( 2 ) is the same for both signals, it can be eliminated by a mathematical combination. This also applies to the temperature error of the conversion factor F. Since only one detector ( 3 ) is used, F ₁ = F ₂ .

In Fig. 2 ist eine beispielhafte Ansteuerung der beiden Strahlungsquellen dargestellt. Um eine Differenzierung der beiden Signale M1 und M2 zu realisieren ist eine zeitliche Diskriminierung erforderlich, die durch unterschiedliche Zeitabläufe erfolgen muß. Im einfachsten Fall kann z. B. nach einer Einschaltdauer t₁ für den ersten Strahler (4) eine gleich lange Pause ohne Bestrahlung eingelegt werden, um dann den zweiten Strahler (5) mit der gleichen Einschaltdauer t₁ zu beaufschlagen. Wiederholt man diesen Vorgang, so erhält man als Ausgangssignal (Wechselspannung mit DC-Offset) mit zwei unterschiedlichen Amplituden, die um 360° zueinander verschoben sind und aus denen dann die Signale M1 und M2 generiert werden können. Vorteilhaft bei dieser Ansteuerungmethode ist die Tatsache, das die Einschaltzeiten für beide Strahler immer gleich sind und dadurch die Alterungseffekte, aufgrund der Brenndauer, zumindest in der gleichen Größenordnung liegen. Durch die Quotientenbildung werden die ggf. vorhandenen unterschiedlichen Alterungseffekte nochmals reduziert. An exemplary control of the two radiation sources is shown in FIG . In order to differentiate between the two signals M1 and M2, a time discrimination is required, which must take place through different time sequences. In the simplest case, e.g. B. after a duty cycle t ₁ for the first radiator ( 4 ) an equally long pause without irradiation, in order to then apply to the second radiator ( 5 ) with the same duty cycle t ₁ . If this process is repeated, the output signal (AC voltage with DC offset) is obtained with two different amplitudes, which are shifted by 360 ° to one another and from which the signals M1 and M2 can then be generated. An advantage of this control method is the fact that the switch-on times are always the same for both lamps and therefore the aging effects, due to the burning time, are at least of the same order of magnitude. The different aging effects that may be present are further reduced by forming the quotient.

In Fig. 3 sind die Signale M1 und M2 für unterschiedliche Temperaturen (T1 und T2) in Abhängigkeit von der Gaskonzentration dargestellt. Durch eine Quotientenbildung aus der Differenz und der Summe beider Signale erhält man dann einen Kennlinienverlauf U, der bei einer Gaskonzentration von Null im Ursprung beginnt und einen, im Vergleich zum Meßsignal M2, für kleine Gaskonzentrationen gradlinigeren Verlauf aufweist.

In Fig. 3, the signals are shown as a function of the gas concentration M1 and M2 for different temperatures (T1 and T2). By forming the quotient from the difference and the sum of the two signals, a characteristic curve U is obtained which begins at a gas concentration of zero in the origin and which, compared to the measurement signal M2, has a more straightforward curve for small gas concentrations.

Obwohl das Referenzsignal M1 und das Meßsignal M2 einen erheblichen Temperaturfehler aufweisen, ist der Kennlinienverlauf U bei der Temperatur T2 nach der Quotientenbildung absolut deckungsgleich mit dem Kennlinienverlauf U bei der Temperatur T1. Eine individuelle Aufnahme der Temperaturkennlinie entfällt somit vollständig und vereinfacht dadurch die Sensorherstellung ganz erheblich. Although the reference signal M1 and the measurement signal M2 are considerable If there are temperature errors, the characteristic curve U is at temperature T2 the formation of the quotient is absolutely congruent with the characteristic curve U at Temperature T1. An individual recording of the temperature characteristic is therefore not necessary completely and thereby considerably simplifies sensor production.

In Fig. 4 ist eine mögliche konstruktive Ausführungsform dargestellt. Der vorteilhafte Aufbau dieser Sensorausführung wurde in der Anmeldung 102 00 908.2 ausführlich beschrieben. Durch den Einbau einer zweiten Strahlungsquelle (7) kommen die im Anspruch 1 bis 10 der vorliegenden Schrift aufgeführten Merkmale zum tragen. In Fig. 4 shows a possible constructive embodiment. The advantageous structure of this sensor design was described in detail in the application 102 00 908.2. By installing a second radiation source ( 7 ), the features listed in claims 1 to 10 of the present document come into play.

Claims

1. Sensor for the quantitative detection of gases in the ambient air, working according to the method of selective infrared absorption, consisting of an absorption path ( 1 ), an interference filter ( 2 ) and at least one detector ( 3 ), characterized in that at least 2 infrared radiation sources in different Distances (L ₁ and L ₂ ) to the detector ( 3 ) are arranged and generate different signals in the detector ( 3 ).

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the further away from the detector ( 3 ) infrared emitter ( 4 ) emits its radiation through the absorption path ( 1 ) over a distance L ₂ and this radiation is used to measure the gas concentration.

3. Sensor according to claim 1, characterized in that the nearer to the detector ( 3 ) infrared emitter ( 5 ) emits its radiation through the absorption path ( 1 ) over a distance L ₁ and this radiation is used to compensate for interference effects.

4. Sensor according to claim 1, characterized in that the two infrared radiation sources ( 4 , 5 ) in different periods (t ₁ and t ₂ ) are switched on and off.

5. Sensor according to claim 4, characterized in that there is a pause ( 6 ) between the switch-on time of the two infrared radiators.

6. Sensor according to claim 4, characterized in that the infrared radiators ( 4 , 5 ) in the different periods (t ₁ and t ₂ ) are switched on and off several times.

7. Sensor according to claim 6, characterized in that the switch-on times t ₁ and switch-on phases t ₂ for the two infrared radiators ( 4 , 5 ) are different.

8. Sensor according to claim 6, characterized in that the switch-on times t ₁ and switch-on phases t ₂ are the same for both infrared radiators ( 4 , 5 ).

9. Sensor according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the reference signal M1 is generated from the detector signal, during the switch-on time of the infrared radiator ( 5 ) closer to the detector ( 3 ).

10. Sensor according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the measurement signal M2 is generated from the detector signal during the switch-on time of the infrared radiator ( 4 ) further away from the detector ( 3 ).

11. Sensor according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that the concentration-determining variable U from the measurement and reference signal by forming a quotient

is formed.