DE20202694U1 - Optical gas sensor - Google Patents
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Description
BeschreibungDescription
Dräger Sicherheitstechnik GmbH, Revalstraße 1,Dräger Security Technology GmbH, Revalstrasse 1,
23560 Lübeck, DE 523560 Luebeck, DE 5
Optischer GassensorOptical gas sensor
Die Erfindung betrifft einen optischen Gassensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.The invention relates to an optical gas sensor having the features of the preamble of claim 1.
Mit derartigen Gassensoren, wie beispielsweise in der gattungsbildenden US 5,973,326 offenbart, werden kompakte Gasanalysegeräte zur Verfügung gestellt, die geringe Fertigungskosten und eine robuste Bauweise ermöglichen, weil keine beweglichen optischen Bauelemente verwendet werden.With such gas sensors, as disclosed for example in the generic US 5,973,326, compact gas analysis devices are provided which enable low manufacturing costs and a robust design because no moving optical components are used.
Das bekannte Messprinzip der gattungsgemäßen Gassensoren beruht auf der konzentrationsabhängigen Absorption elektromagnetischer Strahlung, speziell im infraroten Wellenlängenbereich, durch das zu messende Gas, das heißt das Messgas. Das Messgas, zum Beispiel Kohlenwasserstoffe, CO2 und andere Spurengase, diffundiert im Allgemeinen durch eine Staubschutzmembran oder eine Flammensperre in Form eines Gewebes oder einer gasdurchlässigen Schicht eines gesinterten oder keramischen Materials in das Küvettenvolumen der Messgasküvette des Gassensors.The well-known measuring principle of the generic gas sensors is based on the concentration-dependent absorption of electromagnetic radiation, especially in the infrared wavelength range, by the gas to be measured, i.e. the measuring gas. The measuring gas, for example hydrocarbons, CO 2 and other trace gases, generally diffuses through a dust protection membrane or a flame barrier in the form of a fabric or a gas-permeable layer of a sintered or ceramic material into the cuvette volume of the measuring gas cuvette of the gas sensor.
Die Messgasküvette wird von der Strahlung mindestens einer, im Allgemeinen einen größeren Wellenlängenbereich überstrahlenden, breitbandigen Strahlungsquelle durchstrahlt, wobei als Strahlungsquelle in der Regel eine Glühlampe oder ein elektrisch geheiztes Glas- oder Keramikelement verwendet wird. Die von der mindestens einen elektromagnetischen Strahlungsquelle sich divergent ausbreitende Strahlung wird mit Hilfe optisch reflektierender Flächen gebündelt, um die Strahlungsintensität am Ort des Mess- und gegebenenfalls des Referenzdetektors zu erhöhen. Durch die Bündelung der Strahlung wird das SignaWRauschverhältnis des Gassensors erhöht und somit die Messqualität verbessert. Die verwendeten Detektoren sind im Allgemeinen pyroelektrische Kristalle, Halbleiterelemente oder sogenannte Thermosäulen aus Thermoelementen, die die gemessene Strahlungsleistung in elektrische SignaleThe measuring gas cuvette is irradiated by the radiation of at least one broadband radiation source, which generally covers a larger wavelength range, whereby the radiation source is usually an incandescent lamp or an electrically heated glass or ceramic element. The radiation spreading divergently from the at least one electromagnetic radiation source is bundled with the help of optically reflecting surfaces in order to increase the radiation intensity at the location of the measuring and, if applicable, the reference detector. By bundling the radiation, the signal-to-noise ratio of the gas sensor is increased and thus the measurement quality is improved. The detectors used are generally pyroelectric crystals, semiconductor elements or so-called thermopiles made of thermocouples, which convert the measured radiation power into electrical signals.
J.J.
umwandeln, welche in geeigneter Weise für die Bestimmung der zu messenden Gaskonzentration ausgewertet werden.which are evaluated in a suitable manner to determine the gas concentration to be measured.
Falls zwei oder mehr unterschiedliche Messgase mit einem Gassensor gemessen werden sollen, wird eine der Anzahl der unterschiedlichen Messgase entsprechende Anzahl von Messdetektoren verwendet, die für das jeweilige Messgas wellenlängenspezifisch empfindlich sind. Die Selektion des oder der Wellenlängenbereiche erfolgt mit Hilfe von Interferenzfiltern, die im Allgemeinen vorgeschaltet direkt mit den zugehörigen Detektoren verbunden oder kombiniert sind. Ein Wellenlängenbereich enthält die Wellenlänge einer Absorptionsbande des Messgases und wird vom zugehörigen Messdetektor erfasst, während der vom optionalen Referenzdetektor erfasste Wellenlängenbereich so gewählt ist, dass er durch die Absorption des Messgases nicht beeinflusst wird. Durch Quotientenbildung und geeignete Verrechnung der Messsignale wird die Messgaskonzentration bestimmt und der Einfluss von Alterungseffekten der Strahlungsquelle sowie der Einfluss möglicher Verschmutzungen im optischen Strahlenweg kompensiert.If two or more different measuring gases are to be measured with one gas sensor, a number of measuring detectors corresponding to the number of different measuring gases is used, which are wavelength-specifically sensitive for the respective measuring gas. The selection of the wavelength range(s) is carried out using interference filters, which are generally connected or combined upstream directly with the associated detectors. A wavelength range contains the wavelength of an absorption band of the measuring gas and is detected by the associated measuring detector, while the wavelength range detected by the optional reference detector is selected so that it is not influenced by the absorption of the measuring gas. The measuring gas concentration is determined by forming quotients and appropriately calculating the measuring signals, and the influence of aging effects of the radiation source and the influence of possible contamination in the optical beam path are compensated.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines gattungsgemäßen Gassensors, der eine sehr kompakte Bauweise ermöglicht bei verbesserter Messempfindlichkeit.The object of the invention is to provide a generic gas sensor which enables a very compact design with improved measurement sensitivity.
Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausbildungen des Gassensors nach Anspruch 1 an.The solution to the problem is obtained with the features of claim 1. The dependent claims specify advantageous embodiments of the gas sensor according to claim 1.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Gassensors nach Anspruch 1 besteht in der Ausbildung der Messgasküvette mit kleinem Volumen als zylinderförmiger Raum und der Ausbildung eines ersten Deckelelementes als ebene Reflexionsfläche und eines parallel gegenüberliegenden zweiten Deckelelementes als Konkavspiegel, wodurch einerseits aufgrund von Mehrfachreflektionen die Strahlenwege zwischen der Strahlungsquelle und denA significant advantage of the gas sensor according to the invention as claimed in claim 1 is the design of the measuring gas cuvette with a small volume as a cylindrical space and the design of a first cover element as a flat reflection surface and a parallel opposite second cover element as a concave mirror, whereby on the one hand due to multiple reflections the beam paths between the radiation source and the
Detektoren bei kompakter Bauweise verlängert werden, und wodurch auch eine einfache Fertigung ohne aufwändige Justagen möglich ist.Detectors can be extended with a compact design, which also enables simple production without complex adjustments.
Durch die kompakte Bauweise wird eine kürzere Ansprechzeit des erfindungsgemäßen Gassensors erzielt.The compact design results in a shorter response time of the gas sensor according to the invention.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Hilfe der einzigen Figur erläutert, die eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Gassensors mit abgehobenem oberen, ersten Deckelelement 1 und abgesenktem unteren, zweiten Deckelelement 5 zeigt.An embodiment of the invention is explained with the aid of the single figure, which shows a view of a gas sensor according to the invention with the upper, first cover element 1 lifted off and the lower, second cover element 5 lowered.
Die Erfindung verzichtet auf bewegliche optische Bauteile, um einen robusten, kompakten und preiswerten optischen Gassensor in einem Sensorgehäuse bereitzustellen. Die äußeren Abmessungen des Sensorgehäuses gemäß Ausführungsbeispiel betragen nur 20 Millimeter Durchmesser und 30 Millimeter Höhe, so dass insbesondere auch kompakte, tragbare Gassensoren mit der Erfindung realisiert werden können. Die Strahlungsquelle 6 ist ein an sich bekannter, breitbandiger Strahler. Das Detektorelement 7 weist vorzugsweise einen Referenzdetektor und mindestens einen Messdetektor für ein bestimmtes Messgas auf, wobei die Detektoren durch zugehörige, vorgeschaltete optische Filter unterschiedliche Wellenlängenbereiche der Strahlung empfangen. In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist das Detektorelement 7 ein Mehrfachdetektor mit einem Referenzdetektor und mehreren Messdetektoren entsprechend der Anzahl der unterschiedlichen Messgase. Der spezifische Aufbau der Messgasküvette 3 aus reflektierenden Bauteilen gemäß Erfindung führt zu einem langen Strahlenweg in einem kleinen Volumen und wird dadurch erreicht, dass die Lichtausbreitung durch mehrfache Reflexion zwischen dem ebenen, oberen ersten Deckelelement 1 und dem sphärischen, unteren zweiten Deckelelement 5 erfolgt. Hierbei ist die sphärische Ausbildung des unteren Deckelelements 5 als Konkavspiegel mit einem festen Krümmungsradius wesentlich, dessen Größe proportional vom Abstand zwischen den beidenThe invention dispenses with movable optical components in order to provide a robust, compact and inexpensive optical gas sensor in a sensor housing. The external dimensions of the sensor housing according to the embodiment are only 20 millimeters in diameter and 30 millimeters in height, so that compact, portable gas sensors in particular can also be realized with the invention. The radiation source 6 is a broadband emitter known per se. The detector element 7 preferably has a reference detector and at least one measuring detector for a specific measuring gas, the detectors receiving different wavelength ranges of the radiation through associated, upstream optical filters. In a special embodiment of the invention, the detector element 7 is a multiple detector with a reference detector and several measuring detectors corresponding to the number of different measuring gases. The specific structure of the measuring gas cuvette 3 from reflective components according to the invention leads to a long beam path in a small volume and is achieved in that the light propagation takes place through multiple reflection between the flat, upper first cover element 1 and the spherical, lower second cover element 5. The spherical design of the lower cover element 5 as a concave mirror with a fixed radius of curvature is essential, the size of which is proportional to the distance between the two
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Deckelelementen 1, 5 abhängt. Der Proportionalitätsfaktor beträgt etwa 2,0 bis 4,5. Strahlungsquelle 6 und Detektorelement 7 sind auf dem als Konkavspiegel ausgebildeten zweiten Deckelelement 5 angeordnet, wobei das als Bodenplatte dienende zweite Deckelelement 5 Träger beider Bauteile ist, indem entsprechende Passungen im zweiten Deckelelement 5 vorgesehen sind. Die Passungen können zum Schutz der Detektoren und der elektrischen Bauelemente vor Feuchtigkeit und aggressiven Messgasen durch in das zweite Deckelelement 5 eingesetzte Fenster abgedichtet werden.cover elements 1, 5. The proportionality factor is approximately 2.0 to 4.5. The radiation source 6 and detector element 7 are arranged on the second cover element 5, which is designed as a concave mirror, whereby the second cover element 5, which serves as a base plate, supports both components by providing corresponding fits in the second cover element 5. The fits can be sealed by windows inserted into the second cover element 5 to protect the detectors and the electrical components from moisture and aggressive measuring gases.
Die Anordnung von zweitem Deckeielement 5 und erstem Deckelelement 1 ist im Wesentlichen parallel zueinander. Ein geringer Kippwinkel von zum Beispiel 1 Grad ist vorteilhaft, um eine Signalabschattung durch die Detektorbohrung / -passung zu verhindern. Der Krümmungsmittelpunkt entsprechend dem Kugelzentrum einer Kugelkalotte des als Konkavspiegel ausgebildeten zweiten Deckelelementes 5 und der geometrische Mittelpunkt des zweiten Deckelelementes 5 bilden die Mittelachse 4. Strahlungsquelle 6 und Detektorelement 7 sind auf dem zweiten Deckelelement 5 so angeordnet, dass ihre Mittelachsen symmetrisch zur Mittelachse 4 sind. Die Strahlungsquelle 6 mit ihrer Wendel und die optische Position der strahlungsempfindlichen Komponenten des Detektorelements 7 liegen dabei in einer Ebene parallel zur Bodenplatte des unteren, zweiten Deckelelements 5 und auf einer senkrecht durch die Mittelachse 4 verlaufenden Geraden.The arrangement of the second cover element 5 and the first cover element 1 is essentially parallel to one another. A small tilt angle of, for example, 1 degree is advantageous in order to prevent signal shadowing by the detector bore / fit. The center of curvature corresponding to the sphere center of a spherical cap of the second cover element 5 designed as a concave mirror and the geometric center of the second cover element 5 form the central axis 4. The radiation source 6 and detector element 7 are arranged on the second cover element 5 such that their central axes are symmetrical to the central axis 4. The radiation source 6 with its helix and the optical position of the radiation-sensitive components of the detector element 7 lie in a plane parallel to the base plate of the lower, second cover element 5 and on a straight line running perpendicularly through the central axis 4.
In einer ersten Ausführung des Erfindungsgegenstands ist der Krümmungsradius entsprechend der doppelten Brennweite des als Konkavspiegel ausgebildeten zweiten Deckelelements 5 etwa viermal so groß wie der Abstand der beiden Deckelelemente 1, 5. Das erste Deckelelement 1 ist eben, wobei der Messgas-Zutritt durch Öffnungen im ersten Deckelelement 1 erfolgt. Dabei kann das erste Deckelelement 1 ein feines Sieb mit einer verbleibenden, effektiv reflektierenden Innenfläche von mindestens 50 % sein. Alternativ weist es einzelne Bohrungen für den Messgas-Zutritt auf.In a first embodiment of the subject matter of the invention, the radius of curvature corresponding to twice the focal length of the second cover element 5 designed as a concave mirror is approximately four times as large as the distance between the two cover elements 1, 5. The first cover element 1 is flat, with the measurement gas entering through openings in the first cover element 1. The first cover element 1 can be a fine sieve with a remaining, effectively reflective inner surface of at least 50%. Alternatively, it has individual holes for the measurement gas to enter.
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Die divergente Strahlung der Strahlungsquelle 6 wird vom ersten Deckelelement reflektiert und trifft auf die sphärische Oberfläche des als Konkavspiegel ausgebildeten zweiten Deckelelements 5. Dort wird die immer noch divergente Strahlung reflektiert und kollimiert, so dass sie als paralleles Strahlenbündel wieder auf das erste Deckelelement 1 trifft. Die Reflexion am ersten Deckelelement 1 ändert die Parallelität der Strahlen nicht. Bei der erneuten Reflexion am zweiten Deckelelement 5 wird die Strahlung jedoch fokussiert, so dass ein konvergentes Strahlenbündel zum ersten Deckelelement 1 hin- und nach Reflexion von diesem zurückgeleitet wird und das Detektorelement 7 trifft, das im Fokus des Strahlenbündels liegt. Auf diese Weise durchläuft die Strahlung sechsmal die Länge der Messgasküvette 3 auf dem Weg von der Strahlungsquelle 6 zum Detektorelement 7.The divergent radiation from the radiation source 6 is reflected by the first cover element and hits the spherical surface of the second cover element 5, which is designed as a concave mirror. There, the still divergent radiation is reflected and collimated so that it hits the first cover element 1 again as a parallel beam. The reflection on the first cover element 1 does not change the parallelism of the rays. However, when it is reflected again on the second cover element 5, the radiation is focused so that a convergent beam is directed towards the first cover element 1 and, after reflection, is returned from it and hits the detector element 7, which is in the focus of the beam. In this way, the radiation travels six times through the length of the measuring gas cuvette 3 on the way from the radiation source 6 to the detector element 7.
Im unteren, zweiten Deckelelement 5 des Gassensors ist vorteilhafterweise ein Temperaturfühler 10 angeordnet, der insbesondere in einer Passung sitzt, die von der Unterseite gebohrt und nicht zur Oberseite offen ist. Mit dem Signal des Temperaturfühlers 10 können Temperatureinflüsse im Detektorsignal kompensiert werden. Die Küvettenwand 2 ist vorzugsweise eine Kreiszylinderfläche, die nicht im Strahlengang liegt, und zur Verbesserung des Signal-/ Rauschverhältnisses vorzugsweise nicht reflektierend ausgebildet ist.A temperature sensor 10 is advantageously arranged in the lower, second cover element 5 of the gas sensor, which is in particular located in a fit that is drilled from the bottom and is not open to the top. Temperature influences in the detector signal can be compensated with the signal from the temperature sensor 10. The cuvette wall 2 is preferably a circular cylindrical surface that is not in the beam path and is preferably designed to be non-reflective in order to improve the signal/noise ratio.
In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung des Gassensors ist der Krümmungsradius entsprechend der doppelten Brennweite des als Konkavspiegel ausgebildeten zweiten Deckelelementes 5 etwa 2,8 mal so groß wie der Abstand der beiden Deckelelemente 1, 5. Dann ergibt sich ein zehnfacher Strahlverlauf, bis die Messstrahlung auf das Detektorelement 7 fokussiert ist, das heißt, die Mess- und Absorptionsstrecke entspricht zehnmal dem Abstand der beiden Deckelelemente 1,5.In a second embodiment of the gas sensor according to the invention, the radius of curvature is approximately 2.8 times the distance between the two cover elements 1, 5, corresponding to twice the focal length of the second cover element 5 designed as a concave mirror. This results in a tenfold beam path until the measuring radiation is focused on the detector element 7, i.e. the measuring and absorption distance corresponds to ten times the distance between the two cover elements 1,5.
Wenn der Messgas-Zutritt vorzugsweise über das erste Deckelelement 1 erfolgt, ist der Einsatz der Erfindung in tragbaren Mehrgasmessgeräten besonders vorteilhaft, weil es hier auf die einfache Steck- und Tauschbarkeit der verwendeten Gassensoren besonders ankommt. Dabei liegen die elektrischen Bauteile in der demIf the measuring gas access preferably takes place via the first cover element 1, the use of the invention in portable multi-gas measuring devices is particularly advantageous because the simple plug-in and exchangeability of the gas sensors used is particularly important here. The electrical components are located in the
Messgas-Zutritt gegenüberliegenden Ebene des zweiten Deckelelements 5,
wodurch die Signalführung vom Gerät zur unteren Stirnfläche einfach möglich ist. Gegenüber den infrarotoptischen Gassensoren nach dem Stand der Technik wird das messgasführende Küvettenvolumen innerhalb des Sensors bis zu zehnmal
durchlaufen, so dass die Bauhöhe des Gassensors und somit das Küvettenvolumen
erheblich reduziert werden kann. Das Messgas gelangt mittels Diffusion durch Öffnungen in einem der Deckelelemente 1, 5 oder in den Seitenwänden in das Küvettenvolumen. Ein reduziertes Küvettenvolumen führt zu einer verkürzten Signal-Ansprechzeit.Level of the second cover element 5 opposite the sample gas access,
which makes it easy to route the signal from the device to the lower front surface. Compared to state-of-the-art infrared optical gas sensors, the volume of the cuvette containing the measuring gas within the sensor is up to ten times
so that the height of the gas sensor and thus the cuvette volume
can be reduced considerably. The measuring gas enters the cuvette volume by diffusion through openings in one of the cover elements 1, 5 or in the side walls. A reduced cuvette volume leads to a shortened signal response time.
Claims (7)
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| Country | Link |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2002
- 2002-02-21 DE DE20202694U patent/DE20202694U1/en not_active Expired - Lifetime
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| US10190974B2 (en) | 2014-11-10 | 2019-01-29 | Dräger Safety AG & Co. KGaA | Optical gas sensor comprising an LED emitter for the emission of light of a narrow bandwidth |
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Legal Events
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