DE10202918C1 - Gassensor - Google Patents

Abstract

Ein Gassensor (1) weist eine am Anfang einer Absorptionsmessstrecke (8) angeordnete Laserdiode (7) und eine am Ende der Absorptionsmessstrecke (8) angeordnete Photodiode (9) auf, deren Signal durch eine analoge Schaltung (10, 13, 14, 16, 17, 22) zu einem Flächenmesssignal (23) verarbeitet wird, das der Fläche (19) von Absorptionslinien (12) im Absorptionsspektrum entspricht. Das Flächenmesssignal (23) wird einer Vergleichsschaltung (24) zugeführt, die den Pegel des Flächenmesssignals (23) mit einem Sollwert vergleicht und gegebenenfalls einen Alarm auslöst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor mit einem am Anfang einer Absorptionsmessstrecke angeordneten Strahlungssender und einer zugeordneten Steuerschaltung, die die Emissionswel­ lenlänge des Strahlungssenders durchstimmt, und einem am Ende der Absorptionsmessstrecke angeordneten Strahlungsempfänger, dem eine Auswerteschaltung nachgeschaltet ist, wobei die Auswerteschaltung eine Signalverarbeitungseinheit um­ fasst, die mit dem vom Strahlungsempfänger gelieferten Mess­ signal beaufschlagt ist und aus dem Messsignal ein dem Ver­ lauf des Absorptionsspektrums folgendes Zwischensignal erzeugt, und wobei die Auswerteschaltung einen mit dem Zwi­ schensignal beaufschlagten Flächenintegrator aufweist, der aus dem Zwischensignal ein durch Tiefe und Breite von Absorp­ tionslinien bestimmtes Flächenmesssignal erzeugt,.

Aus der DE 26 35 171 A1 ist eine Vorrichtung zur Gasanalyse bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist einen Laser auf, der im Impulsbetrieb betrieben wird. Während jedes Impulses steigt die Frequenz des ausgestrahlten Laserlichts näherungs­ weise zeitlinear an. Die Absorptionsmessstrecke der Vorrich­ tung wird von einer Küvette gebildet, in der das zu vermes­ sende Gas enthalten ist. Das vom Laser emittierte und von der Küvette transmittierte Licht fällt auf einen photoelektri­ schen Detektor. Das vom Detektor erzeugte Signal wird loga­ rithmiert und integriert. Die Messungen werden jeweils im Frequenzbereich einer Absorptionslinie und in einem Frequenz­ bereich außerhalb der betreffenden Absorptionslinie durchge­ führt. Die Messergebnisse werden jeweils in einer Halteschal­ tung gespeichert und nach Abschluss beider Arten von Messun­ gen einem Operationsverstärker zugeführt, der ein der Diffe­ renz der beiden Ergebnisse entsprechendes Ausgangssignal erzeugt. Auf dieses Weise erhält man als Endergebnis ein von Druckverbreiterungen unabhängiges Messsignal.

Die bekannte Vorrichtung ist nicht dazu geeignet, als tragba­ res Gerät ausgeführt zu werden.

Es besteht jedoch ein Bedarf nach kompakten, tragbaren, bat­ teriegetriebenen Gassensoren. In Lagerkellern mit Chemikalien kam es zum Beispiel zu schweren Unfällen, weil der Luftsauer­ stoff durch Austreten der Dämpfe von Chemikalien verdrängt worden ist und dies durch Personen, die den Raum betraten, nicht rechtzeitig bemerkt wurde. Für diesen Anwendungsfall wird ein kompakter, batteriegetriebener Sauerstoffsensor be­ nötigt, der beispielsweise immer in der Hemdtasche mitgeführt werden kann. Ein derartiger Sauerstoffsensor kann auch in den betreffenden Räumen fest installiert werden und würde einen Alarm auslösen, wenn die Sauerstoffkonzentration einen be­ stimmten Schwellwert unterschreitet.

Eine weitere denkbare Anwendung ist ein Methansensor, um in Räumen mit erdgasbetriebenen Geräten Lecks rechtzeitig zu er­ kennen. Der Methansensor muss so konstruiert sein, dass bei Überschreiten einer bestimmten Methankonzentration Alarm aus­ gelöst wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kompakten, batteriegetriebenen Gassensor zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Temperaturmessvorrichtung ein für die Temperatur des Strah­ lungssenders kennzeichnendes Temperaturmesssignal erzeugt und der Auswerteschaltung eine von dem Temperaturmesssignal gesteuerte Vergleichsschaltung nachgeschaltet ist, die das Flächenmesssignal mit einem Referenzsignal vergleicht und beim Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte an einem Ausgang ein Detektionssignal ausgibt.

Bei dem Gassensor gemäß der Erfindung wird mit Hilfe des Flä­ chenintegrators ein Flächenmesssignal erzeugt, das durch die Tiefe und Breite von Absorptionslinien im Absorptionsspektrum bestimmt ist. Falls die Absorptionslinien einem bestimmten Gas zugeordnet werden können und nicht in der optischen Sättigung sind, ist das Flächenmesssignal näherungsweise proportional zur Gaskonzentration. Außerdem wird die Be­ triebstemperatur des Strahlungssensors durch eine Temperatur­ messvorrichtung erfasst und ein der Temperatur des Strah­ lungssensors entsprechendes Temperaturmesssignal erzeugt, das die Vergleichsschaltung steuert.

Der Gassensor gemäß der Erfindung benötigt folglich keine Vorrichtung zur Stabilisierung der Betriebstemperatur des Strahlungssenders, da eine Drift des Absorptionsspektrums nicht notwendigerweise das Flächenmesssignal verändert. Falls eine Temperaturdrift des Strahlungssenders auftritt, durch die das im vermessenen Frequenzbereich auftretende Absorpti­ onsspektrum derart geändert wird, dass es auch ohne Änderung der Gaskonzentration zu einer Änderung des Flächenmesssignals kommt, kann dies mit Hilfe des Temperaturmesssignals erfasst und kompensiert werden. Für den Betrieb des Gassensors ist daher keine mit hohem Energieaufwand betriebene Vorrichtung zur Stabilisierung der Temperatur des Strahlungssenders erforderlich. Der Gassensor gemäß der Erfindung benötigt daher wenig Energie und kann aus Batterien betrieben werden.

Die Schaltung des Gassensors gemäß der Erfindung kann mit einfachen Mitteln ohne den Einsatz digitaler Schaltelemente realisiert werden. Da zur Herstellung des Gassensors nur we­ nige einfache Komponenten erforderlich sind, kann der Gassen­ sor in großen Stückzahlen als kompaktes, tragbares Gerät hergestellt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden für die Signal­ verarbeitungseinheit und den Flächenintegrator analoge Bau­ elemente verwendet. Durch den Verzicht auf digitale Bauele­ mente, wie Mikrocontroller und Analog-Digital-Wandler, lassen sich die Herstellungskosten und die Leistungsaufnahme des Gassensors gemäß der Erfindung erheblich senken.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Temperaturmessvorrichtung vorgesehen, die die Betriebstempe­ ratur des Strahlungssensors erfasst und die Vergleichsschal­ tung derart steuert, dass je nach Betriebstemperatur des Strahlungsempfängers ein in Bezug auf einen Grenzwert unter­ schiedlich skaliertes Flächenmesssignal einem Komparator zugeführt ist.

Bei dieser Ausführungsform wird die Temperatur des Strah­ lungssenders durch eine besonders einfache Schaltung kompen­ siert.

Weitere Einzelheiten sind Gegenstand der abhängigen Ansprü­ che.

Nachfolgend wird die Erfindung im Einzelnen anhand der beige­ fügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Gassensors;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines weiteren Gassensors; und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer für die Gassensoren aus den Fig. 1 und 2 verwendbaren Vergleichsschal­ tung.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Gassensors 1. Der in Fig. 1 dargestellte Gassensor 1 verfügt über eine mit einem Taktsignal 2 beaufschlagte Steuerlogik 3, die einen Rampenge­ nerator 4 steuert. Der Rampengenerator 4 erzeugt eine Säge­ zahnspannung 5, die einer Lasersteuerung 6 zugeführt wird. Die Lasersteuerung 6 versorgt eine Laserdiode 7 mit Strom, wobei der zeitliche Verlauf der Stromstärke dem Verlauf der Sägezahnspannung 5 entspricht.

Das entlang einer Absorptionsmessstrecke 8 emittierte Licht wird von einer Photodiode 9 erfasst, die einen Verstärker 10 beaufschlagt. Der Verstärker 10 erzeugt ein Messsignal 11, das ebenfalls sägezahnförmig ausgebildet ist und innerhalb einer Periode einen rampenförmigen Verlauf mit Absorptionsli­ nien 12 zeigt. Um das Messsignal 11 von hochfrequenten Rauschanteilen zu befreien, wird das Messsignal 11 einem Tiefpass 13 zugeführt. Durch den Tiefpass 13 wird das Mess­ signal 11 geglättet, so dass ein Differentiator 14 aus dem Messsignal 11 ein aussagekräftiges Ableitungssignal 15 erzeu­ gen kann. Um das Ableitungssignal 15 von Gleichspannungsan­ teilen zu befreien, ist dem Differentiator 14 ein Hochpass 16 nachgeschaltet, dessen Ausgang mit einem Integrator 17 ver­ bunden ist, der ein Zwischensignal 18 erzeugt.

Das Profil des Zwischensignals 18 entspricht dem Verlauf ei­ nes Absorptionsspektrums, das mit Hilfe einer Lichtquelle aufgenommen wurde, deren Strahlungsleistung über die Wellen­ länge weitgehend konstant ist. Falls entlang der Absorptions­ messstrecke 8 keine optische Sättigung eintritt, ist eine Fläche 19 der Absorptionslinie 12 annähernd proportional zur Säulendichte der zugehörigen Gasmoleküle entlang der Absorp­ tionsmessstrecke 8. Die Absorptionslinienfläche 19 ist dieje­ nige Fläche, die von einer gedachten Kontinuumslinie 20 und einem Absorptionsprofil 21 der Absorptionslinie 12 einge­ schlossen ist. Ein von einem Flächenintegrator 22 gebildetes Flächenmesssignal 23 gibt daher die Säulendichte derjenigen Gasmoleküle an, über deren Absorptionslinie integriert wurde.

Falls die Gaskonzentration entlang der Absorptionsmessstrecke 8 überwacht werden soll, genügt es daher, das Flächenmesssig­ nal 23 mit einem Sollwert zu vergleichen und bei Überschrei­ ten oder Unterschreiten des Sollwerts einen Alarm auszulösen. Diese Aufgabe übernimmt eine Vergleichsschaltung 24, die von der Steuerlogik 3 gesteuert wird. Die Steuerlogik 3 sorgt insbesondere dafür, dass die Vergleichsschaltung 24 am Ende eines Scans den momentanen Wert des Flächenmesssignals 23 mit einem Sollwert vergleicht. Die Funktion der Vergleichsschal­ tung 24 wird auch durch eine Temperaturmessschaltung 25 be­ stimmt, die die Betriebstemperatur der Laserdiode 7 erfasst. Die Temperaturmessschaltung 25 sorgt für eine der Betriebs­ temperatur der Laserdiode 7 entsprechende Skalierung des Werts des Flächenmesssignals 23 oder eine entsprechende Ska­ lierung des Grenzwerts, denn eine Veränderung der Betriebs­ temperatur der Laserdiode 7 führt auch zu einer Veränderung der Wellenlänge des von der Laserdiode 7 emittierten Lichts. Daher kann es vorkommen, dass Absorptionslinien 12 nicht mehr im abgescannten Wellenlängenbereich liegen, so dass sich das Flächenmesssignal 23 sprunghaft ändert. Die Temperaturmess­ schaltung 25 gleicht zusammen mit der Vergleichsschaltung 24 die auf die Temperaturdriften der Laserdiode 7 zurückgehenden Änderungen des Flächenmesssignals 23 aus.

Falls je nach Anwendung der Wert des Flächenmesssignals 23 über oder unter einem Sollwert liegt, gibt die Vergleichs­ schaltung 24 ein Alarmsignal an einen Verstärker 26 aus, der dieses verstärkt und an einem Ausgang 27 bereitstellt.

In Fig. 2 ist ein weiterer Gassensor 28 dargestellt, der ei­ ne abgewandelte Signalverarbeitungseinheit aufweist. Bei dem Gassensor 28 ist dem Verstärker 10 zum einen ein Tiefpass 29 nachgeschaltet, der aus dem Messsignal 11 ein rampenförmiges Grundsignal 30 extrahiert. Das Grundsignal 30 entspricht bis auf die ausgemittelten Absorptionslinien 12 dem Messsignal 11. Anschließend wird das Messsignal 11 vom Grundsignal 30 mit Hilfe eines Subtrahierers 31 abgezogen und auf diese Wei­ se das Zwischensignal 18 erzeugt. Das Zwischensignal 18 kann dann wiederum dem Flächenintegrator 22 zugeführt werden, der daraus das Flächenmesssignal 23 generiert.

Die übrigen Bestandteile des Gassensors 1 sind gleich den entsprechenden Bauteilen des in Fig. 1 dargestellten Gassen­ sors 1.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Vergleichsschal­ tung 24 dargestellt.

Bei der Vergleichsschaltung 24 liegt an einem Eingang 32 das von der Temperaturmessschaltung 25 gelieferte Temperaturmess­ signal U_T an. An einem weiteren Eingang 33 wird die Ver­ gleichsschaltung 24 mit einer Referenzspannung U_Ref versorgt. Durch eine an den Eingang 33 angeschlossene Kette 34 von Wi­ derständen 35 wird die Referenzspannung 35 auf eine Reihe von Spannungswerten heruntergeteilt, die jeweils an Eingängen von Komparatoren 36 anliegen. Die Ausgänge k₁ bis k₇ der Kompara­ toren 36 führen zu Abtast-Halte-Gliedern 37, die bei einem entsprechenden Signal an einem Eingang 38 der Vergleichs­ schaltung 24 an ihrem Ausgang je nach dem an ihrem Eingang anliegenden Spannungspegel eine logische 1 oder 0 ausgeben. Das am Eingang 38 anliegende Steuersignal U_E stammt von der Steuerlogik 3 und sorgt dafür, dass die Daten jeweils am Ende eines Scans übernommen werden. Die logischen Werte an den Ausgängen der Abtast-Halte-Glieder 37 werden Eingängen x1 bis x7 eines programmierbaren Decoders 39 zugeführt, der den Lo­ gikwerten an den Eingängen x1 bis x7 Logikwerte an den Aus­ gängen y1 bis y4 zuordnet. Über die Logikwerte an den Ausgän­ gen y1 bis y4 werden jeweils Schaltelemente 40, beispiels­ weise Transistoren, betätigt, durch die von Widerständen 41 gebildete Spannungsteiler aktivierbar sind. Mit Hilfe der von den Widerständen 41 gebildeten Spannungsteilern lässt sich der Pegel U_A des Flächenmesssignals 23 so skalieren, dass ein Komparator 42 immer dann ein Alarmsignal ausgibt, wenn die Konzentration der überwachten Gasmoleküle entlang der Absorp­ tionsmessstrecke 8 einen vorgegebenen Grenzwert überschrei­ tet.

Es sei angemerkt, dass dem Komparator 42 ebenfalls ein Ab­ tast-Halte-Glied 43 nachgeschaltet sein kann, das den Aus­ gangswert des Komparators 42 jeweils für eine Scanperiode festhält.

Ferner sei angemerkt, dass bei einer abgewandelten Ausfüh­ rungsform der Vergleichsschaltung 24 nicht der Pegel U_A des Flächenmesssignals 23, sondern das Referenzsignal U_G skaliert werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, sowohl den Pegel U_A des Flächenmesssignals 23 als auch den Pegel U_G des Referenzsignals zu skalieren.

Die aufwändige Skalierung des Pegels U_A des Flächenmesssig­ nals 23 oder Pegels U_G des Referenzsignals ist insofern not­ wendig, als die Betriebstemperatur der Laserdiode 7 schwankt und es darüber hinaus keinen linearen Zusammenhang zwischen der Betriebstemperatur der Laserdiode und dem Pegel U_A des Flächenmesssignals 23 gibt. Denn je nach Betriebstemperatur der Laserdiode können unterschiedliche Absorptionslinien 12 im Absorptionsspektrum abgescannt werden. Dementsprechend un­ terschiedlich fällt das Flächenmesssignal 23 aus. So ist es durchaus möglich, dass bei gleichbleibender Konzentration mit steigender Betriebstemperatur das Flächenmesssignal 23 fällt oder umgekehrt steigt. Durch den programmierbaren Decoder 39 bietet die Vergleichsschaltung 24 jedoch die Möglichkeit, die Gassensoren 1 und 28 an den jeweiligen Anwendungsfall anzu­ passen.

Falls auf die Programmierbarkeit verzichtet werden kann oder für jeden Wert des Temperaturmesssignals U_T eine andere Ska­ lierung des Flächenmesssignals 23 erforderlich ist, kann auf den Decoder 39 verzichtet werden. Die Ausgänge der Abtast- Halte-Glieder 37 sind in diesem Fall direkt mit den Eingängen der Transistoren 40 verbunden. Folglich ist auch eine der An­ zahl der Abtast-Halte-Glieder 37 entsprechende Anzahl von Transistoren 40 nötig, aber dafür entfällt der Decoder 39.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Gassensors 1 und des Gassensors 28 werden jeweils analoge Bauelemente für die Lasersteuerung 6, den Verstärker 10, den Tiefpass 13, den Differentiator 14, den Hochpass 16, den Integrator 17 und den Flächenintegrator 22, sowie für den Tiefpass 29 und den Sub­ trahierer 31 verwendet. Durch diese Maßnahmen können sowohl die Herstellungskosten als auch der Energieverbrauch der Gas­ sensoren 1 und 28 gesenkt werden.

Bei einer weiteren abgewandelten Ausführungsform der Gassen­ soren 1 und 28 weisen die der Laserdiode 7 eingespeisten Stromrampen gegen Ende der Periode hin eine zunehmende Stei­ gung auf. Durch diese Maßnahme lässt sich der Effekt kompen­ sieren, dass diejenigen Absorptionslinien, die bei Wellenlän­ gen mit hoher Intensität der Laserstrahlung liegen, eine grö­ ßere Fläche aufweisen, als die diejenigen Absorptionslinien, die bei Wellenlängen mit niedriger Intensität der Laserstrah­ lung liegen. Durch die zunehmende Steigung der Laserrampen wird derjenige Teil des Spektrums, bei dem die Laserstrahlung hohe Intensitäten aufweist, schneller durchfahren, so dass die Absorptionslinien in diesem Teil des Absorptionsspektrums schmaler erscheinen. Durch die zunehmende Steigung der Strom­ rampen kann daher der Effekt der mit steigender Intensität zunehmenden Fläche der Absorptionslinie der Laserstrahlung kompensiert werden.

Claims (8)

1. Gassensor mit einem am Anfang einer Absorptionsmess­ strecke (8) angeordneten Strahlungssender (7)und einer zuge­ ordneten Steuerschaltung (3), die die Emissionswellenlänge des Strahlungssenders (7) durchstimmt, und einem am Ende der Absorptionsmessstrecke (8) angeordneten Strahlungsempfänger (9), dem eine Auswerteschaltung nachgeschaltet ist, wobei
die Auswerteschaltung eine Signalverarbeitungseinheit (10, 13, 14, 16, 17, 29, 31) umfasst, die mit dem vom Strah­ lungsempfänger (9) gelieferten Messsignal (11) beaufschlagt ist und aus dem Messsignal (11) ein dem Verlauf des Absorpti­ onsspektrums folgendes Zwischensignal (18) erzeugt, und wobei
die Auswerteschaltung einen mit dem Zwischensignal (18) beaufschlagten Flächenintegrator (22) aufweist, der aus dem Zwischensignal (18) ein durch Tiefe und Breite von Absorpti­ onslinien (12) bestimmtes Flächenmesssignal (23) erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Temperaturmessvorrichtung (25) ein für die Tempera­ tur des Strahlungssenders (7) kennzeichnendes Temperaturmess­ signal (U_T) erzeugt und
der Auswerteschaltung eine von dem Temperaturmesssignal (U_T) gesteuerte Vergleichsschaltung (24) nachgeschaltet ist, die das Flächenmesssignal (23) mit einem Referenzsignal ver­ gleicht und beim Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte an einem Ausgang (27) ein Detektionssignal ausgibt.

2. Gassensor nach Anspruch 1, bei dem die Signalverarbeitungseinheit (10, 13, 14, 16, 17, 29, 31), der Flächenintegrator (22) und die Vergleichsschal­ tung (24) analoge Schaltungen sind.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Signalverarbeitungseinheit (10, 13, 14, 16, 17) einen mit dem Ausgangssignal des Strahlungsempfängers (9) beaufschlagten Tiefpass (13) umfasst, dem jeweils ein Diffe­ rentiator (14), ein Hochpass (15) und ein Integrator (17) nachgeschaltet sind.

4. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Signalverarbeitungseinheit (10, 29, 31) einen mit dem Ausgangssignal des Strahlungsempfängers (9) beaufschlag­ ten Tiefpass (29) und einen Subtrahierer (31) aufweist, der mit dem Ausgangssignal des Tiefpasses (29) und mit dem Aus­ gangssignal des Strahlungsempfängers (9) beaufschlagt ist.

5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Strahlungssender (7) von einer Steuerschaltung (3) mit einer Stromrampe beaufschlagt ist.

6. Gassensor nach Anspruch 5, bei dem die Steigung der Stromrampe variiert.

7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Temperaturmessvorrichtung (25) eine in der Ver­ gleichschaltung (24) vorgenommene Skalierung des Flächenmess­ signals (23) steuert.

8. Gassensor nach Anspruch 7, bei dem die Vergleichsschaltung eine vom Temperaturmesssignal (U_T) beaufschlagte Spannungsteilerkette (34) umfasst, deren Teilspannungen parallel geschalteten Komparatoren (36) zuge­ führt sind, die mit einem Decoder (39) verbunden sind, der unterschiedliche Spannungsteiler (41) für das Flächenmesssig­ nal (23) aktiviert.