DE10319186A1 - Gas sensor, in particular for a vehicle air conditioning system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Gassensor zur Messsung einer Gaskonzentration, insbesondere für eine Fahrzeug-Klimaanlage. DOLLAR A Um mit relativ geringem apparativem Aufwand eine sichere Detektion von Gaskonzentrationen bei hoher Dynamik, vorteilhafterweise ohne zusätzlichen Lüfter und Zwangskonvektion, zu erreichen, weist der Gassensor auf: DOLLAR A eine Infrarot-Strahlungsquelle (2) zum Aussenden von Infrarot-Strahlung, DOLLAR A eine Infrarot-Detektionseinrichtung (10) zum Empfangen der Infrarot-Strahlung, DOLLAR A einen Absorptionsbereich (11, 30, 40, 50, 60, 70, 80) zur Aufnahme eines Gases mit der zu messenden Gaskonzentration, der entlang einer optischen Achse (A) zwischen der Infrarot-Strahlungsquelle (2) und der Infrarot-Detektionseinrichtung (10) angeordnet ist, DOLLAR A eine erste vorzugsweise schmutzabweisende gasundurchlässige Folie (6), die für die Infrarot-Strahlung zumindest in einem messrelevanten Wellenlängenbereich im Wesentlichen durchlässig ist und den Absorptionsbereich (11, 30, 40, 50, 60, 70, 80) von der Infrarot-Strahlungsquelle (2) trennt, und DOLLAR A eine zweite vorzugsweise schmutzabweisende gasundurchlässige Folie (18), die für die Infrarot-Strahlung (9) zumindest in dem messrelevanten Wellenlängenbereich im Wesentlichen durchlässig ist und die Infrarot-Detektionseinrichtung (10) von dem Absorptionsbereich (11, 30, 40, 50, 60, 70, 80) trennt.The invention relates to a gas sensor for measuring a gas concentration, in particular for a vehicle air conditioning system. DOLLAR A To achieve reliable detection of gas concentrations with high dynamics, advantageously without additional fans and forced convection, the gas sensor has: DOLLAR A an infrared radiation source (2) for emitting infrared radiation, DOLLAR A an infrared detection device (10) for receiving the infrared radiation, DOLLAR A an absorption area (11, 30, 40, 50, 60, 70, 80) for receiving a gas with the gas concentration to be measured, which is along an optical axis (A ) is arranged between the infrared radiation source (2) and the infrared detection device (10), DOLLAR A is a first, preferably dirt-repellent, gas-impermeable film (6), which is essentially transparent to the infrared radiation at least in a measurement-relevant wavelength range and the absorption range (11, 30, 40, 50, 60, 70, 80) from the infrared radiation source (2) separates, and DOLLAR A a second preferably ise dirt-repellent gas-impermeable film (18) which is essentially transparent to the infrared radiation (9) at least in the wavelength range relevant to the measurement and the infrared detection device (10) from the absorption area (11, 30, 40, 50, 60, 70, 80) separates.
Description
Die Erfindung betrifft einen Gassensor zur Messung einer Gaskonzentration, insbesondere für eine Fahrzeug-Klimaanlage.The The invention relates to a gas sensor for measuring a gas concentration, especially for one Vehicle air conditioning.
Gassensoren zur Messung von Gaskonzentrationen, die auf der Messung der Absorption infraroter Strahlung (IR-Strahlung) beruhen, werden derzeit überwiegend in medizinischen und biologischen Anwendungsbereichen oder in der Branddetektion verwendet. Sie weisen im Allgemeinen eine Infrarot (IR)- Strahlungsquelle und eine IR-Detektionseinrichtung auf, zwischen denen entlang einer optischen Achse eine Absorptionsstrecke bzw. ein Absorptionsbereich ausgebildet ist, in welchem die abgestrahlte IR-Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich in Abhängigkeit der zu messenden Gaskonzentration absorbiert wird. Änderungen der betreffenden Gaskonzentration können somit als Änderungen des Messsignals der IR-Detektionseinrichtung ermittelt werden.gas sensors for measuring gas concentrations based on the measurement of absorption infrared radiation (IR radiation) are currently predominant in medical and biological applications or in the Fire detection used. They generally have an infrared (IR) - radiation source and an IR detection device on, between which along an optical axis have an absorption path or an absorption area is formed, in which the emitted IR radiation in one certain wavelength range dependent on of the gas concentration to be measured is absorbed. amendments the gas concentration in question can thus be considered changes the measurement signal of the IR detection device be determined.
Offene Gassensorkonzepte mit frei zugänglicher Infrarot-Quelle und frei zugänglichem Detektorelement können aufgrund des guten Gasaustauschs in dem offenen Absorptionsbereich eine hohe Dynamik gewährleisten. Die optischen Komponenten, d. h. die IR-Strahlungsquelle, das IR-Detektorelement und evtl. zusätzlich verwendete Reflektoren sind jedoch der Verschmutzung ausgesetzt, so dass insbesondere eine Anwendung im Bereich von Klimaanlagen und Umluftsystemen im Kraftfahrzeug nicht sinnvoll ist.Open Gas sensor concepts with freely accessible Infrared source and freely accessible Detector element can due to the good gas exchange in the open absorption area ensure a high dynamic. The optical components, i. H. the IR radiation source, the IR detector element and possibly additionally used reflectors are however exposed to pollution, so that in particular an application in the field of air conditioning and Air circulation systems in the motor vehicle is not useful.
Bei herkömmlichen Sensorsystemen wird daher zum Schutz der optischen Komponenten des Gassensors insbesondere vor Verschmutzung ein Sensorgehäuse mit einer Membran oder einem Labyrinth verwendet. Das zu messende Gas gelangt zunächst in das Sensorgehäuse, in welchem es durch die Schutzmembran diffundiert oder durch das Labyrinth strömt. Hierdurch ist der Gasaustausch zwischen der Umgebung und dem Absorptionsbereich des Sensors im statischen Zustand relativ langsam. Für ein hinreichend dynamisches Sensorsystem ist ein schneller Gasaustausch durch die Membran oder das Labyrinth erforderlich, der nur durch ein Druckgefälle zwischen Umgebung und Sensorinneren erreicht werden kann. Hierzu werden zusätzliche Lüfter verwendet oder eine Zwangskonvektion in einem Strömungskanal erzeugt.at usual Sensor systems is therefore used to protect the optical components of the gas sensor especially before contamination a sensor housing with a membrane or used a labyrinth. The gas to be measured first gets into the sensor housing, in which it diffuses through the protective membrane or through the labyrinth flows. This is the gas exchange between the environment and the absorption area of the sensor in the static state is relatively slow. For a sufficient dynamic sensor system is a quick gas exchange through the Membrane or the labyrinth is required, which is only due to a pressure drop between Environment and sensor interior can be reached. Additional fans are used for this or generates a forced convection in a flow channel.
Derartige Sensoren weisen im Allgemeinen eine hohe Messgenauigkeit auf; sie sind jedoch im Allgemeinen in der Herstellung aufwändig und teuer, so dass sie in Massenanwendungen, wie z. B. im Automobilbereich, kaum verwendet werden.such In general, sensors have a high measuring accuracy; she however, are generally expensive to manufacture and expensive, so that they are used in mass applications such. B. in the automotive sector, hardly be used.
Der erfindungsgemäße Gassensor weist demgegenüber insbesondere den Vorteil auf, dass mit relativ geringem apparativem Aufwand eine sichere Detektion von Gaskonzentrationen bei hoher Dynamik erreicht wird. Hierbei können vorteilhafterweise ein zusätzlicher Lüfter und die Erzeugung einer Zwangskonvektion entfallen.The gas sensor according to the invention points out in particular the advantage that with relatively little equipment Reliable detection of gas concentrations with high dynamics is achieved. Here you can advantageously an additional one Fan and the generation of forced convection is eliminated.
Erfindungsgemäß werden somit die beiden optischen Komponenten, d.h. der Infrarot-Detektor und die Infrarot-Strahlungsquelle, durch gasundurchlässige, für die Infrarot-Strahlung zumindest in einem messrelevanten Wellenlängenbereich im Wesentlichen durchlässige Folien von dem Absorptionsbereich getrennt. Diese Trennung ermöglicht allenfalls noch den Durchtritt vernachlässigbarer Gasmengen z. B. durch Klebebereiche zu den optischen Komponenten.According to the invention thus the two optical components, i.e. the infrared detector and the infrared radiation source, through gas-impermeable, for the infrared radiation at least in a measurement-relevant wavelength range essentially permeable Films separated from the absorption area. This separation still allows at most the passage is negligible Gas quantities z. B. by adhesive areas to the optical components.
Somit sind die optischen Komponenten sicher vor einer Verschmutzung geschützt, ohne dass das Gas durch eine Membran diffundieren oder ein Labyrinth geführt werden muss. Der Gasaustausch zwischen dem Absorptionsbereich und einem Außenraum wird somit allenfalls geringfügig beeinträchtigt. Hierdurch ist das Ansprechverhalten bzw. die Dynamik des Gassensors bei einer Änderung der Gaskonzentration höher als bei den eingangs beschriebenen Systemen. Aufgrund des offenen Absorptionsbereiches wird weiterhin die Bildung von Gassümpfen, d. h. Gasansammlungen in für Gaszirkulation und Konvektion schwer zugänglichen Bereichen, verhindert oder zumindest erschwert. Weiterhin ist eine thermische Trennung zwischen der Infrarot-Strahlungsquelle und der Infrarot-Detektionseinrichtung möglich. Hierdurch lässt sich eine hohe Messgenauigkeit auch bei Verwendung eines thermischen Strahlers als Infrarot (IR)-Quelle und eines Thermopile-Chips als Detektionseinrichtung erreichen. Da kein zusätzlicher Lüfter oder Konvektionserzeuger erforderlich ist, ist die Einbaulage des erfindungsgemäßen Gassensors unabhängig von der Beströmung mit Luft durch ein Lüftungssystem des Fahrzeugs. Hierbei kann der erfindungsgemäße Gassensor auch in einem Gehäuse bzw. miteinander verbundenen Gehäuseteilen für den IR-Detektor und die IR-Strahlungsquelle angeordnet werden, wenn das Gehäuse eine hinreichende thermische Entkopplung z. B. durch eine geeignete U-Form oder geschlossene Ringform ermöglicht.Consequently the optical components are safely protected against contamination without that the gas diffuse through a membrane or a labyrinth guided must become. The gas exchange between the absorption area and an outside space at most, it becomes marginal impaired. This is the response behavior or the dynamics of the gas sensor in the event of a change the gas concentration higher than with the systems described at the beginning. Because of the open Absorption area will continue to form gas swamps, i. H. Gas accumulations in for Gas circulation and convection difficult to reach areas, prevented or at least difficult. There is also a thermal break possible between the infrared radiation source and the infrared detection device. hereby let yourself high measuring accuracy even when using a thermal As an infrared (IR) source and a thermopile chip as Reach detection device. Since no additional fan or convection generator is required is, the installation position of the gas sensor according to the invention is independent of the flow with Air through a ventilation system of the vehicle. Here, the gas sensor according to the invention can also be used in one casing or interconnected housing parts for the IR detector and the IR radiation source can be arranged if the housing one adequate thermal decoupling z. B. by a suitable U-shape or closed ring shape.
Erfindungsgemäß werden vorteilhafterweise die Strahlungsquelle und die Detektionseinrichtung jeweils in gegenüber dem Absorptionsbereich geschlossenen Gehäusen oder Gehäuseteilen eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet. Die Gehäuse bzw. Gehäuseteile weisen hierbei in der optischen Achse zwischen Strahlungsquelle und Detektionseinrichtung Öffnungen auf, die durch die gasundurchlässigen IR-transparenten Folien verschlossen sind. Hierdurch wird eine weitgehend gasdichte Abschirmung der Strahlungsquelle und der Detektionseinrichtung ohne Beeinträchtigung des Strahlengangs erreicht. Die Folien können hierbei am Gehäuse z. B. verklebt, verschweißt, geklemmt oder auf ähnliche Weise befestigt werden, wodurch eine zwar nicht absolut, jedoch hinreichend gasdichte Abschirmung erreicht wird. Ergänzend können im Absorptionsbereich Reflektoren außerhalb der optischen Achse zur Reflektion von Streustrahlung und somit zur Erhöhung des Messsignals vorgesehen sein. Da die Reflektoren außerhalb der optischen Achse vorgesehen sind und sich somit die Strahlungsquelle und die Detektionseinrichtung direkt gegenüberstehen, beeinflussen mögliche Verschmutzungen der Reflektoren das Messsignal allenfalls gering. Die Oberflächen der Reflektoren können ergänzend durch schmutzabweisende Beschichtungen bzw. Lacke weitgehend gegen Verschmutzungen resistent gehalten werden.According to the invention, the radiation source and the detection device are advantageously each arranged in housings or housing parts of a common housing which are closed with respect to the absorption region. The housing or housing parts have openings in the optical axis between the radiation source and the detection device, which are closed by the gas-impermeable IR-transparent films. This creates a largely gas-tight shield tion of the radiation source and the detection device is achieved without impairing the beam path. The films can be z. B. glued, welded, clamped or fastened in a similar manner, whereby a not absolutely, but sufficiently gas-tight shielding is achieved. In addition, reflectors outside the optical axis can be provided in the absorption region to reflect scattered radiation and thus to increase the measurement signal. Since the reflectors are provided outside the optical axis and thus the radiation source and the detection device are directly opposite one another, possible contamination of the reflectors has a minimal influence on the measurement signal. The surfaces of the reflectors can also be kept largely resistant to dirt by dirt-repellent coatings or varnishes.
Für die gasundurchlässigen, IR-transparenten Folien kann vorteilhafterweise ein Material mit schmutzabweisender Oberfläche verwendet werden. Erfindungsgemäß wurde überraschenderweise festgestellt, dass PTFE (Polytetrafluorethylen) sehr gute Eigenschaften als Folienmaterial für den erfindungsgemäßen Sensor aufweist, da es im messrelevanten Wellenlängenbereich bei hinreichend geringer Schichtdicke der Folie eine geringe Absorption bei hoher Gasdichtigkeit gewährleistet und ein Anhaften von Schmutz, Staub und dergleichen auf seiner Oberfläche weitgehend verhindert. Relevante Wellenlängenbereiche sind insbesondere der langwellige IR-Bereich z. B. für Kohlendioxid zwischen 4 und 5 μm. Die Belastbarkeit einer lediglich an äußeren Bereichen an einem Gehäuse befestigten PTFE-Folie mit einer Dicke von z. B. 200 bis 500 μm ist hierbei hinreichend, wobei im für Automobilanwendungen relevanten Temperaturbereich zwischen –40 und 100 °C keine wesentliche optische Drift auftritt. Vorteilhafterweise verlaufen die Folien in Einbauzustand ganz oder weitgehend vertikal, so dass auch keine Schmutz- oder Staubpartikel auf der Oberfläche liegen bleiben können.For the gas impermeable, IR-transparent films can advantageously be a material with dirt-repellent surface be used. According to the invention, surprisingly found that PTFE (polytetrafluoroethylene) has very good properties as film material for the sensor according to the invention has, since it is sufficient in the wavelength range relevant to measurement low layer thickness of the film a low absorption with high Guaranteed gastightness and adherence of dirt, dust and the like largely on its surface prevented. Relevant wavelength ranges are especially the long-wave IR range z. B. for carbon dioxide between 4 and 5 μm. The load-bearing capacity of a housing that is only attached to outer areas PTFE film with a thickness of e.g. B. 200 to 500 μm is sufficient here being im for Automotive applications relevant temperature range between -40 and 100 ° C none substantial optical drift occurs. Advantageously run the foils fully or largely vertically in the installed state, so that also no dirt or Dust particles on the surface can stay lying.
Die Verwendung einer Wärmequelle, z. B. einer Glühbirne im Unterstrombetrieb, ermöglicht geringe Herstellungs-, Betriebs- und Wartungskosten bei hoher Strahlungsleistung und somit hoher Messgenauigkeit auch geringer Konzentrationen und Konzentrationsunterschiede bei Verwendung nicht allzu aufwendiger Detektoren. Hierbei ist vorteilhafterweise ein optisches Filter zur Auswahl eines oder mehrerer Wellenlängenbereiche außerhalb des Absorptionsbereichs, d. h. in der optischen Achse zwischen IR- Strahlungsquelle und erster Folie oder zweiter Folie und IR-Detektionseinrichtung vorgesehen.The Use of a heat source, z. B. a light bulb in undercurrent operation low manufacturing, operating and maintenance costs with high radiation output and thus high measuring accuracy even at low concentrations and Concentration differences when using not too expensive Detectors. Here, an optical filter is advantageous to select one or more wavelength ranges outside the absorption range, d. H. in the optical axis between the IR radiation source and first film or second film and IR detection device intended.
Bei Verwendung eines gemeinsamen Gehäuses kann z. B. eine U-Form oder eine Ringform bzw. O-Form vorgesehen sein, wobei ein Verbindungskanal zwischen der Detektionseinrichtung und Strahlungsquelle zur Verlegung von elektrischen Leitungen verwendet werden kann, so dass der Gassensor einen gemeinsamen elektrischen Anschluss aufweist.at Use of a common housing can e.g. B. a U shape or an annular shape or O-shape can be provided, with a connecting channel between the detection device and radiation source for laying of electrical wiring can be used so that the gas sensor has a common electrical connection.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:The Invention is described below with reference to the accompanying drawings on some embodiments explained in more detail. It demonstrate:
Ein
Gassensor
Ein
Infrarot (IR)-Detektor
Eine
Ausführungsform
eines IR-Detektors
Der
Thermopile-Chip
Hierbei
können
mehrere Thermopile-Chips
Der
IR-Detektor
Die
Folien
Bei
den weiteren Ausführungsformen
der
Bei
der Ausführungsform
der
Bei
der Ausführungsform
der
Bei
der Ausführungsform
der
Bei
der Ausführungsform
der
Die
gezeigten Ausführungsformen
geben beispielhaft die Anordnung von Detektor
Die
Reflektoren
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