DE19922590A1 - Gassensor und Verfahren zum Betreiben eines Gassensors - Google Patents

Gassensor und Verfahren zum Betreiben eines Gassensors

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Gassensor mit einer Energieversorgungseinrichtung zum Betrieb mindestens einer Strahlungsquelle mit Strom- oder Spannungsimpulsen, mit mindestens einem im Strahlengang angeordneten Meßraum, mit mindestens einem wellenlängenselektivierenden Element, mit mindestens einem ein elektrisches Meßsignal abgebenden Detektorelement und mit einer Schalteinrichtung zur Regelung der Pulsdauer der Strom- bzw. Spannungsimpulse. Die Schalteinrichtung weist Mittel zur Einstellung der Pulsdauer auf und die Schaltung erfolgt so, daß der Strom- bzw. Spannungsimpuls so abgeschaltet wird, daß die Pulsdauer kleiner als die zur Erreichung des Maximums (жmax¶) des mindestens einen Meßsignals des mindestens einen Detektorelementes benötigt ist.

Description

Infrarot-Gassensoren basieren auf dem Prinzip der se­ lektiven Absorption von Infrarotstrahlung durch Gase. Das Wirkungsprinzip und die Betriebsweise von Infra­ rot-Gassensoren darf als bekannt vorausgesetzt werden.
Solche Gassensoren bestehen üblicherweise aus einer oder mehreren Strahlungsquellen, z. B. thermische Strahler wie Glühlampen, einer oder mehreren Absorpti­ onsstrecken, wellenlängenselektivierenden Elementen (selektive Strahlungsfilter wie z. B. Interferenzfil­ ter) und einem oder mehreren Strahlungsdetektoren, die das optische Signal in ein elektrisches Meßsignal um­ wandeln. Eine Vielzahl solcher Detektoren ist aus dem Stand der Technik bekannt. Die am häufigsten benutz­ ten Detektortypen sind unter anderem pyroelektrische, Halbleiter- (z. B. auf PbSe-Basis), thermophile und pneumatische Detektoren.
Eine weitere Ausführungsart basiert auf der Druckän­ derung aufgrund der Erwärmung der Gasmoleküle in dem Meßraum, die mittels eines Mikrofons aufgenommen wird. Die Erwärmung wird hervorgerufen, durch die Ab­ sorption der Strahlungsenergie der Strahlungsquel­ le(n) durch die zu detektierenden Meßgasmoleküle. Ei­ ne dem Stand der Technik entsprechende Ausführung ist in dem Patent DE 195 25 703 A1, offenbart.
In optischen Gassensoren wird die Strahlungsquelle üblicherweise kontinuierlich (in Kombination mit ei­ nem Chopper) oder periodisch mit einer Pulsspannung betrieben. In beiden Fällen wird üblicherweise das Signal mittels einer phasensensitiven Elektronik (Lock-In-Technik) bzw. eines RMS-Wandlers erfaßt.
Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Gassensor mit einer Energieversorgungseinrichtung zum Betrieb min­ destens einer Strahlungsquelle, beispielsweise einer Wärmestrahlungsquelle oder einer IR-Luminescence- Strahlungsquelle (z. B. Diode, Laserdiode, IR-Laser), mit Strom- oder Spannungsimpulsen, mit mindestens ei­ nem im Strahlengang angeordneten Meßraum mit minde­ stens einem ein elektrisches Meßsignal abgebenden De­ tektor und mit einer Schalteinrichtung zur Regelung der Pulsdauer der Strom- bzw. Spannungsimpulse. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Be­ treiben eines derartigen Sensors.
Bei einem derartigen, aus der DE 30 43 332 A1 bekann­ ten Gassensor wird die Pulsdauer der Strahlungsquel­ le, einem Temperaturstrahler, in Abhängigkeit vom Ma­ ximalwert des Meßsignals eines Strahlungsdetektors am Ausgang des Meßwertaufnehmers gesteuert. Dabei wird vorgeschlagen, den Maximalwert aus dem Kurvenverlauf der Ansprechkurve bzw. des Meßsignals des Meßwertauf­ nehmers empirisch oder rechnerisch zu ermitteln und die Pulsdauer durch Unterbrechen der Energiezufuhr zum Temperaturstrahler derart zu steuern, daß der Ma­ ximalwert mit Sicherheit innerhalb der Pulsdauer liegt. Des weiteren wird vorgeschlagen, den Kurven­ verlauf der Ansprechkurve mit einem Maximal­ wertdetektor zu überwachen, der bei Erreichen des Ma­ ximalwertes der Ansprechkurve die Energiezufuhr bzw. den Stromimpuls unterbricht. Mit diesem Gassensor läßt sich ein Puls-/Pausen-Verhältnis der Ener­ giezufuhr von kleiner 1 und vorzugsweise von 0,1 bis 0,5 erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gat­ tungsgemäßen Gassensor zu schaffen, der einen redu­ zierten Stromverbrauch bei hoher Meßgüte aufweist.
Die Aufgabe wird in Bezug auf den Sensor durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und in Bezug auf das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildun­ gen auf.
Erfindungsgemäß wird demgemäß die Schalteinrichtung so gesteuert, daß die Pulsdauer kleiner ist als die Zeitdauer bis das Meßsignal das Maximum bei τMAX er­ reicht hat. Dies kann dadurch erfolgen, indem die ma­ ximale Steigung des Detektorsignals
als Meßwert herangezogen wird. Die maximale Steigung des Signals wird wesentlich schneller als dessen Ma­ ximalwert erreicht: τ' << τMAX. Daher kann die Ein­ schaltzeit der Strahlungsquelle τ0 in diesem Meßver­ fahren wesentlich kürzer sein (τ' ≦ τ0 << τMAX), als in allen bisherigen. Das dadurch realisierbare Puls-/­ Pausenverhältnis liegt unter 0,01.
Der Abstand zwischen einzelnen Messungen kann je nach Sensordesign und Anwendungsprofil zwischen wenigen Sekunden und mehreren Minuten gewählt werden, wodurch eine Betriebsdauer ohne Batteriewechsel (z. B. übliche AA Batterien) von mehr als einem halben Jahr erreicht werden kann.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren wie auch die im Folgenden dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren können sowohl mit einem Strahlungsdetektor als auch einem akustischen Detektor, wie z. B. einem Mikrofon, als Detektorelement durchgeführt werden. Dabei können auch gleichzeitig mit mehreren Detektoren, z. B. einem Strahlungsempfänger und einem Mikrofon mehrere Signa­ le erzeugt werden, wobei für mindestens eines der beiden Signale oder auch für mehrere der Signale bzw. alle Signale die Messung erfindungsgemäß durchgeführt wird. Bei Erzeugung mehrerer Signale kann die Genau­ igkeit der Messung weiter verbessert werden.
Eine andere Methode um die Einschaltzeit der Strah­ lungsquelle zu verkürzen, ist die Messung des Detek­ torsignals zu einer bestimmten Zeit τ nach dem Ein­ schalten der Strahlungsquelle als Sensorsignal zu be­ nutzen, wobei diese Zeit τ kleiner als die Zeit des Erreichens des Maximalwerts des Detektorsignals τMAX ist: τ < τMAX. Vorzugsweise liegt τ zwischen der Zeit des Erreichens des Maximalwerts der Steigung des De­ tektorsignals τ' und τMAX: τ' ≦ τ < τMAX. Als Meßwert zum Zeitpunkt τ kann man sowohl den momentanen Wert des Detektorsignals UD (τ) als auch den momentanen Wert dessen erster Ableitung benutzen
Darüber hinaus ist es auch möglich, die Zeitdauer nach dem Einschalten des Strahlers in der ein be­ stimmtes Niveau des Detektorsignals U" bzw. ein be­ stimmter Abstand vom Detektorsignal bei ausgeschalte­ tem Strahler (Offset) erreicht wird als Meßwert zu benutzen.
Die Zeitdauer bis zur Erreichung einer festgelegten Steigung des Detektorsignals kann ebenfalls als das Meßsignal benutzt werden.
Sehr vorteilhaft ist die Betriebsweise des Gassensors wenn die Maximalsteigung des Detektorsignals
oder der Zeitpunkt in dem dieser Maximalwert erreicht wird τ' als Meßsignal benutzt wird. Hierbei kann die Maximalsteigung mit Hilfe eines Maximalwertdetektors ohne die Angabe des Meßzeitpunkts gemessen werden. Den Zeitpunkt τ' kann man z. B. mit Hilfe eine Null- Durchgang-Detektors aus der zweiten Ableitung des De­ tektorsignals bestimmen.
Eine Messung des Integrals des Detektorsignals bis zu einem bestimmten Zeitpunkt τ, z. B. bis zum Maximum der Steigung des Detektorsignals τ', ist eine weitere mögliche Meßmethode.
Vorzugsweise ist das ein Integral über einen Zeitin­ tervall angefangen von dem Einschaltpunkt der Strah­ lungsquelle (τ = 0) bis zu einem bestimmten Zeitpunkt t, der kleiner als die Pulsdauer ist τ < τ0:
Natürlich können auch mehrere der oben beschriebenen Methoden und Meßwerte (z. B.
und τ') zur Erhöhung der Sensitivität bzw. der Feh­ lersicherheit miteinander kombiniert werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Infrarotgassensors, wie er vorstehend ausführlich erläutert worden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird so durchgeführt, daß der Strom- bzw. Spannungsimpuls so abgeschaltet wird, daß die Pulsdauer kleiner als die zur Errei­ chung des Maximums (τMAX) des Meßsignals des/der Strahlungsempfänger bzw. des akustischen Detektors benötigte ist. Bevorzugte Ausführungsformen des Ver­ fahrens bestehen darin, daß der Strom- bzw. Span­ nungsimpuls nach einer Zeit t = τ abgeschaltet wird, wobei τ zwischen t = 0 des Strom- bzw. Spannungsim­ pulses und τMAX liegt. Ganz besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn der Strom- bzw. Spannungsimpuls beim Maximalwert der 1. Ableitung des Meßsignals innerhalb der Pulsdauer abgeschaltet wird. Aber auch alle vor­ stehend bei dem Sensor erläuterten Ausführungsformen können beim erfindungsgemäßen Verfahren benutzt wer­ den.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat noch weitere Vor­ teile. So ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, auf verschiedene Art und Weise die Gas­ konzentration zu ermitteln. So kann die Gaskonzentra­ tion bestimmt werden aus dem Wert der 1. Ableitung des Meßsignals zu einem bestimmten Zeitpunkt τmeß, der kleiner als die Pulsdauer ist oder bei einem Wert der N. Ableitung (N<1) des Meßsignals zu einem bestimmten Zeitpunkt τmeß, der kleiner als die Pulsdauer ist. Die Gaskonzentration kann weiter bestimmt werden aus dem Wert des Integrals des Meßsignals über einen Zeitin­ tervall, angefangen von dem Einschaltzeitpunkt t = 0 bis zu einem bestimmten Zeitpunkt τmeß, der kleiner als die Pulsdauer ist. Auch die 1. Ableitung kann für die Bestimmung der Gaskonzentration verwendet werden. Weitere bevorzugte Ausführungsformen zur Bestimmung der Gaskonzentration sind in den Ansprüchen 16 bis 19 angegeben.
In Fig. 1 ist ein typischer Signalverlauf für einen Strahlungsdetektor, hier einen pyroelektrischen De­ tektor, dargestellt.
Hierbei wurde zum Zeitpunkt t = 0 die Strahlungs­ quelle eingeschaltet. Die Kurve 1 gibt den Verlauf des Ausgangssignals des Detektors (minus Offset) wie­ der. Die Kurven 2 und 3 zeigen den Verlauf der ersten bzw. der zweiten Ableitung.

Claims (20)

1. Infrarot-Gassensor mit einer Energieversor­ gungseinrichtung zum Betrieb mindestens einer Strahlungsquelle mit Strom- oder Spannungsimpulsen, mit mindestens einem im Strahlengang angeordneten Meßraum, mit mindestens einem wellenlängenselektivierenden Element, mit mindestens einem ein elektrisches Meßsignal abgebenden Detektorelement und mit einer Schalteinrichtung zur Regelung der Pulsdauer der Strom- bzw. Spannungsimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung Mittel zur Einstellung der Pulsdauer aufweist und daß die Schaltung so erfolgt, daß der Strom- bzw. Spannungsimpuls so abgeschaltet wird, daß die Pulsdauer kleiner als die zur Erreichung des Maximums (τmax) des mindestens einen Meßsignals des mindestens einen Detektorelementes benötigte ist.
2. Infrarot-Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Detektorelement ein Strahlungsempfänger und/oder ein Druckwandler, insbesondere ein Mikrofon ist.
3. Infrarot-Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom- bzw. Spannungsimpuls nach einer bestimmten Zeit t = τ abgeschaltet wird, wobei die Zeit τ zwischen dem Einschaltpunkt t = 0 des Strom- bzw. Span­ nungsimpulses und τmax liegt.
4. Infrarot-Gassensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltung erfolgt, wenn ein bestimmter Meßsignalwert innerhalb der Pulsdauer erreicht ist.
5. Infrarot-Gassensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltung erfolgt, wenn ein bestimmter Wert der 1. Ableitung des Meßsignals innerhalb der Pulsdauer erreicht ist.
6. Infrarot-Gassensor noch mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltung erfolgt, wenn der Maximalwert der 1. Ableitung des Meßsignals innerhalb der Pulsdauer erreicht ist.
7. Infrarot-Gassensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltung erfolgt, wenn ein bestimmter Wert des Integrals des Meßsignals über einen Zeitintervall, angefangen von dem Einschaltpunkt t = 0 innerhalb der Pulsdauer erreicht ist.
8. Infrarot-Gassensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung so betrieben wird, daß sich ein Puls-/Pausenverhältnis kleiner als 0,01 einstellt.
9. Verfahren zum Betrieb eines Infrarot-Gassensors nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom- bzw. Spannungsimpuls so abgeschaltet wird, daß die Pulsdauer kleiner als die zur Erreichung des Maximums (τmax) des Meßsignals des mindestens einen Detektorelementes benutzt ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strom- bzw. Spannungsimpuls nach einer bestimmten Zeit t = τ abgeschaltet wird, wobei τ zwischen t = 0 des Strom- bzw. Span­ nungsimpules und "τmax liegt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strom- bzw. Spannungsim­ puls beim Erreichen des Maximalwerts der 1. Ab­ leitung des Meßsignals innerhalb der Pulsdauer abgeschaltet wird.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestim­ mung der Gaskonzentration der Wert des Meßsignals zu einen bestimmten Zeitpunkt τmeß, der kleiner als die Pulsdauer ist, benutzt wird.
13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestim­ mung der Gaskonzentration der Wert der 1. Ab­ leitung des Meßsignals zu einem bestimmten Zeit­ punkt τmeß, der kleiner als die Pulsdauer ist, benutzt wird.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestim­ mung der Gaskonzentration der Wert einer N.Ab­ leitung (N < 1) des Meßsignals zu einem be­ stimmten Zeitpunkt τmeß, der kleiner als die Pulsdauer ist, benutzt wird.
15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestim­ mung der Gaskonzentration der Wert des Integrals des Meßsignals über einen Zeitintervall angefan­ gen von dem Einschaltpunkt t = 0 bis zu einem bestimmten Zeitpunkt τmeß, der kleiner als die Pulsdauer ist, benutzt wird.
16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestim­ mung der Gaskonzentration der Maximalwert der 1. Ableitung des Meßsignals benutzt wird.
17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestim­ mung der Gaskonzentration mindestens einer der Zeitpunkte, bei dem ein bestimmter Wert des Meßsignals, der N.Ableitung (N ≧ 1) des Meßsignals oder des Integrals des Meßsignals erreicht wird, benutzt wird.
18. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestim­ mung der Gaskonzentration der Zeitpunkt, bei dem der Maximalwert der 1. Ableitung des Meßsignals erreicht wird, benutzt wird.
19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestim­ mung der Gaskonzentration der Zeitpunkt des ersten Nulldurchgangs der 2. Ableitung des Meßsignals erreicht wird, benutzt wird.
20. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestim­ mung der Gaskonzentration eine Kombination der Meßwerte nach mindestens zwei der Ansprüche 8 bis 15 benutzt wird.
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