DE202005010475U1

DE202005010475U1 - Vorrichtung zur Detektion von Gasen mittels Lichttrichter und Spiegeloptik

Info

Publication number: DE202005010475U1
Application number: DE200520010475
Authority: DE
Original assignee: SMARTGAS MIKROSENSORIK GmbH
Current assignee: SMARTGAS MIKROSENSORIK GMBH, DE
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2015-07-01

Abstract

Sensoreinheit (1) zum Detektieren eines Gases, insbesondere zur Erfassung von Erdgas, Kohlenwasserstoffen, Kohlendioxid oder dgl. In der Umgebungsluft, mit mindestens einer auf eine Absorptionswellenlänge des zu detektierenden Gases abgestimmte optische Messstrecke (2) und mindestens einer Spiegeloptik (3) zur Übertragung der Strahlung von der Lichtquelle zum Strahlungsdetektor, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Strahlungsdetektor (4) mindestens ein Lichttrichter (5) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gassensoren die nach dem Prinzip der Infrarotstrahlungsabsorption arbeiten. Derartige Gassensoren sind seit vielen Jahren bekannt und werden für unterschiedliche Anwendungsfälle in der industriellen Praxis eingesetzt. Für den Bereich der Gebäudesystemtechnik findet diese Technologie auch zunehmend Anwendungen, die sich vor allem auf die Luftqualität (Kohlendioxidkonzentration) und die Sicherheitstechnik (Explosionsschutz) beziehen. Diese Anwendungen sind auch in der Automobilindustrie bekannt und übertragbar.
Die Erfassung der unterschiedlichen Gase erfolgt im infraroten Spektralbereich von 3,4 μm fair Erdgas (Methan), bzw. 4,3 μm für Kohlendioxid. Im einfachsten Fall besteht ein solcher Sensor aus einer Strahlungsquelle, einem Messpfad und einem Detektor mit vorgeschaltetem Interferenzfilter zur Eingrenzung des Strahlungsspektrums der Lichtquelle. Die durch das Gas bewirkte Lichtschwächung ist dann ein Maß für die Gaskonzentration.
Für eine Verbesserung der Nachweisgrenze ist es erforderlich möglichst hohe Strahlungsintensitäten auf den Detektor zu fokussieren. Dazu eignen sich sowohl Linsen als auch Spiegeloptiken. In der Patentanmeldung 10 2004 028 023.1 wird ein Infrarotgassensor beschrieben, der eine entsprechende Spiegeloptik aufweist. Die höchste Strahlungsintensität erhält man, wenn der Brennfleck exakt auf der Detektorfläche liegt. Durch unvermeidbare Fertigungstoleranzen ist dies aber nur in Ausnahmen der Fall, so dass man immer mit einer geringeren Strahlungsausbeute auskommen muss. Aufwendige Justagen sind für Massenanwendungen nicht geeignet, da diese die Herstellungskosten unverhältnismäßig verteuern würden.
Erweitert man diese Sensoreinheit auf ein Zweistrahlverfahren, so ergeben sich zusätzliche Probleme, da die beiden Detektoren nebeneinander in einem Abstand von ca. 2–3 mm angeordnet sich. Die Anordnung der Detektorelemente ist somit außerhalb des Brennfleckes und die Detektoren empfangen lediglich einen Bruchteil der zur Verfügung stehenden Strahlung. Dies führt zu einer nicht ausreichenden Strahlungsintensität. Auch eine Vergrößerung durch Defokussierung führt hier nicht zum Ziel, da dann ein Großteil der Strahlung außerhalb der Detektorflächen auftrifft.
Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach aufgebaut ist, kostengünstig herstellbar ist und die Strahlungsintensitäten ohne Verluste auf die Detektorflächen leitet.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nun darin durch einen Lichttrichter die Strahlung immer auf die Detektorfläche umzulenken und Fehljustagen somit wirkungsvoll zu eliminieren. Der Lichttrichter (5) besteht aus einer polierten Oberfläche, die sich konisch oder auch parabolisch von der Eintrittsöffnung (7) her vejüngt. An der Austrittstelle hat die Öffnung etwa die gleiche Größe wie die Detektorfläche. Um die Reflexionseigenschaften zu verbessern kann die Oberfläche des Lichttrichters mit Gold, Aluminium, Chrom oder einem anderen Material beschicht werden, das eine guten Reflexion im infraroten Spektralbereich aufweist. Diese Art der Beschichtung ist insbesondere dann wichtig, wenn der Lichttrichter aus Kunststoff (Spritzgussteil) hergestellt wird, um die Produktionskosten zu senken.
Der Lichtrichter kann dabei auch dazu dienen die von der Lichtquelle (6) diffus emittierte Strahlung in Richtung des Umlenkspiegel zu leiten. Da der Lichtrichter (5) vorzugsweise als Kunststoffspritzgussteil ausgeführt wird, ergeben sich keine signifikanten Zusatzkosten, wenn auch die Lichtquelle mit einem Lichttrichter (5) versehen wird. Beide Lichtrichter bilden somit eine kostenoptimierte Fertigungseinheit.
In 1 ist eine Ausführungsform dargestellt. Der Lichttrichter (5) wird dabei als separates Bauteil ausgebildet, das auch nachträglich in den Sensoraufbau integriert werden kann.
In 2 ist dieses separate Bauteil als 3-dimensionale Darstellung in Form eines Kunststoffspritzgussteiles zu erkennen.
Für ein Zweistrahlverfahren eignet sich diese Vorgehensweise ebenfalls. Dazu wird allerdings für jede Detektorfläche ein separater Lichtrichter benötigt, um die Strahlung wirkungsvoll auf die Detektorfläche umzulenken. Auch die Lichtquelle erhält einen Lichtrichter zur Effizienzsteigerung. Die drei Lichtrichter werden auch in einem Kunststoffteil zusammengefasst und zumindest an den der Strahlung ausgesetzten Oberflächen mit einem entsprechenden Material beschichtet.
Eine weitere Möglichkeit die Strahlungsintensität bei einem Zweistrahlverfahren zu erhöhen besteht darin, die Spiegeloptik (3) mit 2 unterschiedlich, gekrümmten Oberflächen zu versehen. Die Krümmung muss so ausgelegt werden, dass die eine Spiegelfläche die Strahlung auf den Messdetektor lenkt, während die andere Spiegelfläche den Referenzdetektorbeleuchtet. Man kann den Spiegel auch in Form eines Rasters mit zwei unterschiedlichen Krümmungsflächen aufbauen, die abwechselnd den Mess- und Referenzdetektorbeleuchten. Durch diese Maßnahme werden auch die ggf. unterschiedlichen, räumlichen Strahlungsanteile der Lichtquelle herausgemittelt. Die gleiche Wirkung erhält man durch Ausbildung der Spiegeloberfläche als Freiformfläche mit zwei nebeneinander liegenden Brennflecken.
Ire 3 ist eine Sensoreinheit (1) mit einer Spiegeloptik als Freiformfläche (16) zu erkennen, der die Strahlungsintensität auf die beiden Detektorflächen fokussiert.
In 3 sind die nebeneinander liegenden Detektorflächen zu erkennen, auf die die Strahlungsintensität (gepunktete Fläche) überlagert dargestellt ist. Die Detektormitte befindet in einem Abstand d von dem Zentrum der Lichtquelle (6).
In 5 ist die Sensoreinheit (1) mit einer Spiegeloptik (3) bestehend aus zwei Abbildungssegmenten (Sp1 und SP2) dargestellt. Diese Abbildungssegmente fokussieren die Strahlung auf die beiden Detektorflächen (9 und 14). Der Mittelpunkt des Krümmungsradius r, für das Abbildungssegmentes Sp1, befindet sich in der Mitte zwischen dem rechten Detektorelement (9) und der Lichtquelle (6). Der Abstand ist somit S ₁/2.
Genau der gleiche Zusammenhang gilt auch für das Abbildungssegment Sp2. Der Abstand zur Lichtquelle ist dann S₂/2.
In 6 ist der Querschnitt durch die Sensoreinheit dargestellt. Der Lichttrichter ist ein separates Bauteil das in die Sensoreinheit eingeführt wird und dann mit dieser Verbunden wird. Im einfachsten Fall geschieht durch eine Klebeverbindung. Die Spiegeloptik ist ebenfalls ein separates Bauteil das mit der Sensoreinheit verbunden wird. Auch hier wird typischerweise eine Klebeverbindung eingesetzt.
Die vorgeschalteten Lichtrichter verstärken die Strahlungsintensitäten dann zusätzlich, da in diesem Fall auch Lichtstrahlen (Wandreflexionen) eingefangen werden, die aufgrund der optischen Abbildung nicht die Detektorflächen erreichen würden.
Um die Wirkung des Lichtrichters noch weiter zu verbessern ist eine geringe Defokussierung der Strahlung von Nutzen. Da der Detektor eine Ausdehnung von 1mm × 1mm bzw. 2mm × 2mm hat ist eine exakte Fokussierung nicht erforderlich. Im Gegenteil bietet die Defokussierung die Möglichkeit das divergierende Licht mit dem Lichtrichter wieder einzufangen. Da die Reflexionen im Lichtrichter extrem unterschiedlich sind werden die einzelnen Lichtstrahlen durch diese Maßnahme „gemischt". Eine Bewegung der Lichtquelle durch Temperatureinflüsse bzw. eine Bewegung der Wendel durch Erschütterungen, wird durch diese Maßnahme ebenfalls ausgeglichen. Der Abstand Δr von dem Fokus beträgt nur wenige mm.

Claims

Sensoreinheit (1) zum Detektieren eines Gases, insbesondere zur Erfassung von Erdgas, Kohlenwasserstoffen, Kohlendioxid oder dgl. In der Umgebungsluft, mit mindestens einer auf eine Absorptionswellenlänge des zu detektierenden Gases abgestimmte optische Messstrecke (2) und mindestens einer Spiegeloptik (3) zur Übertragung der Strahlung von der Lichtquelle zum Strahlungsdetektor, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Strahlungsdetektor (4) mindestens ein Lichttrichter (5) angeordnet ist.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet das vor der Lichtquelle (6) ebenfalls ein Lichtrichter (5) angeordnet ist.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass sich der Lichttrichter (5) konisch von der Eintrittsöffnung (7) zur Austrittsöffnung (8) verjüngt.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Lichttrichter (5) parabolisch von der Eintrittsöffnung (7) zur Austrittsöffnung (8) verjüngt.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichttrichter (5) zwei Austrittsöffnungen aufweist.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Austrittsöffnung (11) kongruent zu der Eintrittsöffnung (12) des Messdetektors (9) und die andere Austrittsöffnung (10) kongruent zur Eintrittsöffnung (13) des Referenzdetektor (14) angeordnet ist.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Austrittsöffnung (11) kongruent zu der Eintrittsöffnung (12) eines Messdetektors (9) und die andere Austrittsöffnung (10) kongruent zur Eintrittsöffnung (13) eines zweiten Messdetektors angeordnet ist.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Messdetektoren unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten innerhalb der Absorptionsbande des zu detektierenden Gases aufweisen.
Sensoreinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegeloptik (3) in mindestens zwei Abbildungssegmente (Sp1 und Sp2) unterteilt ist, die zu unterschiedlichen, räumlich nebeneinander gelegenen Brennflecken (15a, 15b) führt.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet dass die Abbildungssegmente (Sp1 und Sp2) in der Spiegeloptik (3) nebeneinander angeordnet sind.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet dass die Abbildungssegmente (Sp1 und Sp2) in der Spiegeloptik (3) übereinander angeordnet sind.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet dass die Abbildungssegmente in der Spiegeloptik (3) als Freiformfläche (16) ausgebildet sind.
Sensoreinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtrichter (5) und die Spiegeloptik (3) mit einer infrarot reflektierenden Schicht bedampf ist.
Sensoreinheit (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Schicht aus Gold, Aluminium oder Chrom besteht.
Sensoreinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennpunkt der Abbildungsoptik vor der Austrittsöffnung (8, 10, 11) bzw. Eintrittsöffnung (12, 13) befindet.
Sensoreinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennpunkt der Abbildungsoptik vor der Austrittsöffnung (8, 10, 11) bzw. Eintrittsöffnung (12, 13) befindet.