DE4115255A1 - Strahlungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungssensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Strahlungssensoren eignen sich beispielsweise zur Flammenüberwachung in Kontrolleinrichtungen von Verbrennungs­ anlagen, z. B. in Flammenwächtern von Heizungsanlagen.

Ein Strahlungssensor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus der DE-PS 27 37 090 bekannt. Die von einer Flamme emittierte Infrarot-Strahlung passiert ein Filter und wird einem photoelektrischen Wandler zugeführt. Das elektrische Signal wird verstärkt.

Aus der EP-OS 02 96 371 ist ein Photodetektor für Ultraviolett bekannt, der aus einer mit einem Interferenzfilter bedeckten Photodiode besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungssensor zu schaffen, dessen spektrale Empfindlichkeit optimal an die optische Emission von blau brennenden Flammen moderner Öl- und Gasbrenner angepaßt ist, so daß Falschlicht keine Flamme vortäuschen kann, und dessen Ausgangssignal gegen äußere Einflüsse weitestgehend unempfindlich ist. Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 ein Schema des generellen Aufbaus eines Ultraviolettlicht-Sensors,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen solchen Sensor,

Fig. 3 spektrale Transmissionskurven von Einzelelementen des Sensors und

Fig. 4 eine spektrale Empfindlichkeitskurve des Sensors.

In der Fig. 1 bedeutet 1 eine Ultraviolettlicht-Photodiode, wie sie beispielsweise aus der EP-OS 02 96 371 bekannt ist. Auf ihrer Oberfläche ist ein aus der genannten EP-OS bekanntes Interferenzfilter 2 angeordnet, das bei einer Wellenlänge von etwa 300 nm seine maximale Transmission besitzt. Die nachzuweisende Strahlung tritt durch eine Linse 3 aus ultraviolettdurchlässigem Glas, ein Filter 4 aus ultraviolett­ durchlässigem und für sichtbares und infrarotes Licht weitgehend undurchlässigem Spezialglas und das Interferenzfilter 2 auf die Diode 1. Der sehr kleine Strom, der auf photoelektrischem Wege durch die Strahlung in der Diode 1 erzeugt wird, wird mittels einer Verstärkerschaltung 5 in eine Spannung gewandelt.

Die Verstärkerschaltung 5 besteht beispielsweise aus einem Operationsverstärker 6, der mittels eines Widerstandes 7 und gegebenenfalls eines Kondensators 8 rückgekoppelt ist. Neben den Eingängen zum Anschluß der Diode 1 weist die verstärker­ schaltung 5 Anschlüsse für die Versorgungsspannung +U_B und für die Masse M und einen Ausgang S auf, an dem das Ausgangssignal anliegt. Die Gesamtheit der vorgenannten Elemente bildet den Strahlungssensor 9, der innerhalb eines hermetisch abgeschlossen Gehäuses 10 angeordnet ist.

Der Operationsverstärker 6 kann beispielsweise vom Typ OP80 der Firma PMI sein und der Widerstand 7 zum Beispiel einen Widerstandswert von 1 GΩ besitzen. Der Kondensator 8 hat beispielsweise eine Kapazität von 100 pF, ist aber an sich entbehrlich. Durch ihn wird die Bandbreite des Verstärkers reduziert, so daß auftretende hochfrequente Störungen und Rauschen reduziert werden. Ihn vorzusehen, kann deshalb fallweise vorteilhaft sein.

Die Fig. 2 zeigt einen Strahlungssensor 9 im Querschnitt. Innerhalb des als Abschirmung dienenden Gehäuses 10 ist ein Substratplättchen 11 angeordnet, auf dem die Diode 1, der Operationsverstärker 6 und der Widerstand 7 angeordnet sind. Über dem Substratplättchen 11 ist ein Filterhalter 12 angebracht, der das Filter 4 trägt. Eine im Gehäuse 10 vorhandene Öffnung ist durch die Linse 3 verschlossen. Diese Linse 3 kann beispielsweise gegossen sein.

Das Gehäuse 10 ist hermetisch verschlossen, so daß beispielsweise Gas und Feuchtigkeit, die die Lebensdauer der Diode 10 und das Funktionieren der Verstärkerschaltung 5 beeinträchtigen könnten, nicht eindringen können. Vorteilhaft besteht das Gehäuse 10 aus Metall, so daß es gegen elektrische Felder, die die hochohmige Verstärkerschaltung 5 stören könnten, abschirmt. Zur weiteren Verbesserung der Abschirmung kann der Filterhalter 12 beitragen, wenn er aus Metall gefertigt ist, so daß also diese Maßnahme vorteilhaft ist.

Das Substratplättchen 11 besteht vorteilhaft aus Keramik. Damit wird erreicht, daß keine nennenswerten parasitären Widerstände bestehen, die die Funktionsfähigkeit der hochohmigen Verstärker­ schaltung 5 behindern könnten.

Vorteilhaft ist es auch, wenn das Interferenzfilter 2 bei der Herstellung der Diode 1 gemäß der in der EP-OS 02 96 371 beschriebenen Methode hergestellt ist und gleichzeitig die Passivierungsschicht der Diode 1 bildet. Somit ist das Interferenzfilter 2 auf der Diode 1 integriert.

Die Linse 3 besteht vorteilhaft aus Glas des Typs "Schott 8337", dessen Transmissionskurve in Funktion der Wellenlänge in der Fig. 3 mit der Bezugsziffer 21 dargestellt ist. Durch die Linse 3 wird Licht mit Wellenlängen größer als 250 nm ungehindert durchgelassen.

Vorteilhaft besteht das Filter 4 aus Glas des Typs "Schott UG11", dessen Transmissionskurve mit der Bezugsziffer 22 dargestellt ist. Dieses Filterglas absorbiert, wie die beiden Kurvenäste zu 22 zeigen, ganz besonders stark im Bereich 400 bis 660 nm, läßt aber Strahlung der Wellenlängen zwischen 230 und 400 nm durchtreten. Durchlässigkeit besteht auch im Bereich über 660 nm, was störend ist. Um diese störende Strahlung auszufiltern, ist zusätzlich das Interferenzfilter 2 vorgesehen, dessen Transmissionskurve mit der Bezugsziffer 23 versehen ist. Die Kombination dieses Interferenzfilters 2 mit dem Filter 4 und mit dem speziellen Dotierungsprofil der Diode 1 ergibt die gewünschten Eigenschaften des Sensors 9.

Die Fig. 4 zeigt mit der Bezugsziffer 25 die Empfindlichkeits­ kurve des gesamten Sensors 9, d. h. die optische Hintereinander­ schaltung von Linse 3, Filter 4, Interferenzfilter 2 und Diode 1. Es ist ersichtlich, daß die Gesamtkurve 25 ein Maximum bei etwa 300 nm hat, was optimal der Strahlung blau brennender Flammen von Öl- und Gasbrennern entspricht. Demgegenüber ist die Empfindlichkeit bei Wellenlängen größer 400 nm um etwa 5 Zehnerpotenzen geringer, so daß Störstrahlung solcher Wellen­ längen keinen nennenswerten Photostrom hervorrufen und somit keine Flamme vortäuschen kann.

Nachfolgend werden einige alternative Ausführungsvarianten beschrieben. So kann es fabrikationstechnisch vorteilhaft sein, das Interferenzfilter 2 statt auf der Diode 1 auf dem Filter 4 anzuordnen.

Das Interferenzfilter 2 besteht aus einer Anzahl auf das Trägermaterial aufgedampfter dünner Schichten, die aufgrund bekannter physikalischer Gesetzmäßigkeiten je nach Material, Anzahl, Dicke und Anordnung Licht bestimmter Wellenlängen reflektieren bzw. transmittieren.

Kostenmäßig vorteilhaft kann es auch sein, die Linse 3 nicht als bikonvexen Glaskörper auszubilden, sondern statt dessen einen planen Glaskörper zu verwenden und außerdem ein holografisch optisches Element mit Linsen- und Filterwirkung vorzusehen, das auf dem Glaskörper integriert sein kann. Holografisch optische Elemente dieser Art sind bekannt. Mit Hilfe eines in zwei Strahlengänge aufgeteilten Laserstrahls wird ein Beugungsmuster in einem Trägermaterial gespeichert. Dieses Trägermaterial kann z. B. eine Photoresist-Schicht sein, mit der der plane Glaskörper beschichtet wird. Das Beugungsmuster hat die Eigenschaften einer konventionellen, auf Brechung basierenden Optik wie Glaslinse oder Prisma. Mit dieser Technik wird ein Beugungsmuster einer Sammellinse erzeugt, das bei parallel einfallendem weißen Licht die einzelnen Wellenlängen unter verschiedenen Winkeln und in verschiedenen Ebenen fokussiert.

Claims (7)

1. Strahlungssensor (9) mit einer strahlungsempfindlichen Diode (1), einem im Strahlengang zwischen Flamme und Diode liegenden Lichtfilter (2, 3, 4) und einer den erzeugten Photostrom verstärkenden Verstärkerschaltung (5), dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfindliche Diode (1) eine auf Ultraviolettlicht ansprechende Photodiode ist, daß das Lichtfilter gebildet ist von einer Linse (3) aus ultra­ violettdurchlässigem Glas, einem Filter (4) aus ultraviolett­ durchlässigem und für sichtbares und infrarotes Licht weitgehend undurchlässigem Spezialglas und einem Interferenzfilter (2) und daß die Verstärkerschaltung (5) zusammen mit der Diode (1) und dem Lichtfilter (2, 3, 4) in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse (10) angeordnet ist.

2. Strahlungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter (2) auf der Diode (1) integriert ist.

3. Strahlungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter (2) auf dem Filter (4) angeordnet ist.

4. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (4) aus Spezialglas des Typs "Schott UG11" besteht.

5. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (3) aus Glas des Typs "Schott 8337" besteht.

6. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) metallisch ist.

7. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (3) gebildet ist von einem planen Glaskörper und einem integrierten holografisch optischen Element mit Linsen- und Filterwirkung.