DE4411853A1 - Optoakustischer Gassensor - Google Patents
Optoakustischer GassensorInfo
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- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
Description
Die Erfindung betrifft einen optoakustischen Gassensor zur
gleichzeitigen Detektion von mehreren Stoffen gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
Derartige Sensoren sind beispielsweise aus der DE-OS
37 16 763 bekannt. Die dort beschriebene Anordnung besteht
aus einer innen verspiegelten Meßkammer, welche mit einem
Gasgemisch befüllt werden kann, das ein zu detektierendes
Gas zumindest anteilig enthält. Durch ein an der Meßkammer
angeordnetes optisches Fenster wird moduliertes Licht einge
strahlt, welches durch einen geeigneten optischen Filter auf
einen bestimmten Wellenlängenbereich begrenzt ist. Der ver
wendete Wellenlängenbereich wird dabei durch eine ausge
wählte Absorptionswellenlänge des zu detektierenden Gases
bestimmt.
Durch die Absorption des eingestrahlten Lichtes kommt es zu
einer Temperaturerhöhung des Gases und damit zu einer Druck
steigerung innerhalb der Meßkammer. Die Verwendung einer mo
dulierten Lichtquelle erzeugt bei einer geeigneten Abstim
mung zwischen der Modulationsfrequenz des eingestrahlten
Lichtes und den thermischen Eigenschaften von Meßkammerwerk
stoff und -geometrie Temperatur-, bzw. Druckschwankungen in
nerhalb der Meßkammer. Mittels eines an das Volumen in der
Meßkammer akustisch angekoppelten Mikrofons können diese
Druckschwankungen detektiert und mit einer üblichen elektro
nischen Schaltung ausgewertet werden. Zwischen der Höhe der
Druckschwankungen und der Konzentration des zu detektieren
den Gases besteht ein direkter, nicht völlig linearer Zusam
menhang.
Der obenbezeichneten DE-OS ist weiter entnehmbar, daß in
einem Abstand vor dem Fenster der Meßkammer auch mehrere op
tische Filter angeordnet werden können, deren Durchlaßberei
che verschiedenen zu detektierenden Gasen zugeordnet sind.
Dabei wird die Strahlung aus einer vor den Filtern angeord
neten Lichtquelle durch eine zwischen diesen Filtern und der
Lichtquelle angebrachten, rotierenden Lochscheibe mit für
jeden Filter unterschiedlichen Frequenzen moduliert. Eine
elektronische, modulationsfrequenzselektive Auswertung des
Mikrofonsignals erlaubt damit die zeitlich parallele Messung
der Konzentrationen mehrerer zu detektierender Gaskomponen
ten.
Ein derartiger Sensoraufbau führt durch die notwendigen Ab
stände zwischen den verschiedenen optischen Komponenten im
Lichtweg in Umgebungen, die ebenfalls Komponenten der zu de
tektierenden Gase enthalten, zu Fehlmessungen, da durch im
Lichtweg befindliche absorbierende Gaskonzentrationen
(außerhalb der Meßkammer) die in die Meßkammer eingestrahlte
Lichtintensität selektiv verringert wird. Außerdem wird
durch die herstellungsbedingte Geometrie der nebeneinander
anzuordnenden optischen Filter ein für die elektronische
Auswertung der Drucksignale ungünstiger Verlauf der Lichtmo
dulation bewirkt, der nur durch eine komplexe, fertigungs
technisch schwierig zu verwirklichende Form der Durchbrüche
in der Lochscheibe kompensiert werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber,
einen fertigungstechnisch einfach zu realisierenden optoaku
stischen Sensor zur Detektion mehrerer Gaskomponenten aufzu
zeigen, welcher durch in der Umgebung enthaltene gleiche
Gaskomponenten nicht oder nur in einem geringen Umfang be
einflußt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein optoakustischer Sensor
der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Kennzei
chens des Anspruches 1 ausgestaltet.
Durch diese Maßnahmen wird einerseits das zu durchstrahlende
Volumen im Lichtweg zwischen der Lichtquelle und dem Ein
tritt in die Meßkammer minimiert, so daß eine dort mögliche
Verringerung der eingestrahlten Lichtintensität durch in
einem relevanten Wellenlängenbereich absorbierende Gaskompo
nenten vermieden oder zumindest auf ein (gegenüber der Ab
sorption innerhalb der Meßkammer) vernachlässigbares Maß zu
rückgeführt wird. Andererseits ergibt sich durch die Kombi
nation des optischen Fensters mit den optischen Filtern eine
erhebliche Vereinfachung des Sensoraufbaus und der mechani
schen Justage der verschiedenen Komponenten bei der Ferti
gung.
Weitere Vorteile ergeben sich durch die mögliche Ausgestal
tung der einzelnen Blendenöffnungen für die unterschiedli
chen optischen Filter. Durch eine entsprechende Formgebung
kann zum einen erreicht werden, daß die Intensität des ein
gestrahlten modulierten Lichtes annähernd eine Trapezform
aufweist, d. h., die eingestrahlte Intensität ist über einen
langen Zeitraum (relativ zum Puls-Pausen-Verhältnis der Mo
dulation) konstant, was die elektronische Auswertung des
Sensorsignals erheblich vereinfacht; zum anderen ist es mög
lich, durch die Vorgabe von Blendenöffnungsverhältnissen die
spektrale Intensitätsverteilung der Lichtquelle oder aber
die unterschiedliche Absorption der zu detektierenden Gas
komponenten so zu korrigieren, daß für die den einzelnen
Gaskomponenten zugeordneten Ausgangssignale ähnliche Signal
pegel am Mikrofonausgang erreicht werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung, die bevorzugt eingesetzt
werden kann, wenn die Konzentration einer zu detektierenden
Gaskomponente außerhalb der Meßkammer in einer gleichen Grö
ßenordnung oder sogar höher wie innerhalb der Meßkammer lie
gen kann, wird der gesamte Strahlungsweg zwischen Licht
quelle und Meßkammer durch ein Gehäuse gasdicht gekapselt.
Dies bedeutet hier, daß die Gasaustauschrate mit der Umge
bung so gering gehalten ist, daß ein nennenswerter Anstieg
der Konzentration von zu detektierenden Gasen innerhalb des
Strahlungsweges während der gesamten Dauer eines Meßvorgan
ges (also auch bei Dauermessungen) nicht stattfindet.
Für die Detektion von mehr als zwei unterschiedlichen Gas
komponenten kann vorzugsweise ein symmetrischer Aufbau des
Sensors gewählt werden. Dabei weist die Meßkammer zwei ge
genüberliegende Öffnungen auf, welche jeweils mit der erfin
dungsgemäßen Blende verschlossen werden. Dabei sind jeweils
zwei entsprechend modulierte Lichtquellen vorzusehen. Der
besondere Vorteil ergibt sich dabei daraus, daß eine Vergrö
ßerung der Meßkammer und damit des Meßgasbedarfs bei gleich
bleibenden Flächen für die optischen Filter für die einzel
nen Gaskomponenten nicht notwendig ist.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin
dung sind den Unteransprüchen und der Beschreibung der
Figuren der Zeichnung entnehmbar.
Im Folgendem wird der erfindungsgemäße optoakustische Sensor
anhand der Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigt
Fig. 1 einen vereinfacht dargestellten optoakustischen
Sensor in einer bevorzugten Ausführung,
Fig. 2a ein als Blende mit mehreren optischen Filtern aus
gelegtes optisches Fenster für die Meßkammer des
Sensors,
Fig. 2b eine als optisches Fenster nutzbare Öffnung einer
bevorzugten Ausführung der Meßkammer,
Fig. 2c ein Ausführungsbeispiel für die Verbindung zwi
schen Meßkammer und Blende/Gehäuse,
Fig. 3 eine zur Blende aus Fig. 2a bevorzugt verwendbares
Blendenrad zur Strahlungsmodulation und
Fig. 4 Einen optoakustischen Sensor mit einer Meßkammer
mit zwei optischen Fenstern zur Detektion von vier
unterschiedlichen Gaskomponenten.
In Fig. 1 ist ein optoakustischer Sensor zur Detektion be
stimmter gasförmiger Medien in einer bevorzugten Ausführung
schematisch dargestellt. Der Sensor besteht aus einem Sen
sorblock 101 mit einer darin integrierten Meßkammer 102. Der
Sensorblock 101 besteht vorzugsweise aus einem metallischen
Werkstoff mit geeigneten thermischen Eigenschaften (z. B.
Kupferlegierung) und besitzt beispielsweise einen Umriß in
Form eines rechtwinkligen sechseckigen Prismas, in welches
senkrecht zu den beiden Basisflächen mittig eine durchgän
gige Bohrung als Meßkammer 102 eingebracht ist.
Die durch diese Bohrung entstandenen Öffnungen 103a, 103b
der Meßkammer 102 in den Basisflächen des Prismas können für
optische Fenster 104 verwendet werden, bzw. werden, wenn
- wie für den in Fig. 101 dargestellten optoakustischen Sensor -
nur ein optisches Fenster 104 benötigt wird, mit einer Me
tallplatte 105 gasdicht verschlossen (Öffnung 103a).
Die zweite Öffnung 103b wird mittels einer optischen Blende
106 ebenfalls gasdicht verschlossen. Die optische Blende 106
dient als Einlaß für Lichtstrahlung in die Meßkammer 102 und
wird in Fig. 2 detailliert beschrieben.
Weiterhin weist der Sensorblock 101 in den Seitenwänden 107
des Prismas eine Gaseinlaßöffnung 108 und eine Gasauslaßöff
nung 109 auf, die vorzugsweise mit entsprechenden Ein- bzw.
Auslaßventilen 110 bestückt sind und vorzugsweise in ver
schiedenen Seitenwänden 107 angeordnet sind, um die Durch
strömung der Meßkammer 102 zu optimieren. Vorzugsweise in
einer dritten Seitenwand 107 des Prismas ist eine Detektor
öffnung 111 angeordnet, in welche ein Druckgradientenwandler
112 (beispielsweise ein auf Modulationsfrequenzen einer in
die Meßkammer 102 strahlenden Lichtquelle 113 abgestimmtes
Mikrophon) gasdicht eingebaut ist. Für den Gasaustausch in
nerhalb der Meßkammer 102 mit dem zu detektierenden Gas ist
es auch möglich, ein oder mehrere Gasaustauschöffnungen
(äquivalent 108, 109) vorzusehen, welche mit gasdurchlässi
gen Membranen verschlossen sind, wobei letztere einen aku
stischen Tiefpaß für die vom modulierten Licht erzeugten
Druckschwankungen innerhalb der Meßkammer 102 bilden.
Vor dem optischen Fenster 104 ist eine bewegliche Blende 115
angeordnet, welche die Lichtstrahlung aus der Lichtquelle
113 mit einer oder mehreren bestimmten Frequenzen moduliert.
Die Lichtquelle 113 besteht dabei aus dem eigentlichen
Strahler (in der Zeichnung nicht dargestellt), welcher in
nerhalb eines Reflektors 116 so angeordnet ist, daß das
emittierte Licht in konzentrierter Form durch das optische
Fenster 104 in die Meßkammer 102 eingestrahlt wird. Die be
wegliche Blende 115 besteht dabei in der dargestellten be
vorzugten Ausführung aus einem runden Blendenrad 117 mit di
versen Ausbrüchen, deren Geometrie anhand eines Beispiels in
Fig. 3 erläutert wird.
Eine Drehachse 118 des Blendenrades 117 ist drehfest mit
einem elektrischen Antriebsmotor 119 auf der dem optischen
Fenster 104 abgewandten Seite verbunden und weist in die
Richtung der Bohrung der Meßkammer 102, ist jedoch seitlich
über das optische Fenster 106 hinaus versetzt, wobei der
Rand des Blendenrades 117 zumindest die wirksame Fläche des
optischen Blende 106 vollständig überdeckt.
Die Lichtquelle 113 und der Antriebsmotor 119 sind auf einer
Hilfsplatine 114 montiert, welche senkrecht zur Richtung der
Bohrung im Sensorblock 101 ausgerichtet und mit diesem di
rekt oder indirekt ortsfest verbunden ist. Durch diese Maß
nahmen ist der Abstand zwischen der Lichtquelle 113, welche
vorzugsweise so montiert wird, daß ihre Lichtaustrittsöff
nung bündig mit der optischen Blende 106 zugewandten Ober
fläche der Hilfsplatine 114 abschließt, und der optischen
Blende 106 minimiert, da er nur der Dicke des Blendenrades
117 und zusätzlich einem geringen Spielraum entspricht. Eine
Störung der Gasdetektion in der Meßkammer 102 im Sensor
durch in der Umgebung des Sensors befindliches absorbieren
des Gas kann bereits durch diese Maßnahme zur Verringerung
des außerhalb der Meßkammer 102 durchstrahlten Volumens auf
einen sehr kleinen Wert begrenzt werden (typisch kleiner 3%
Meßfehler bei gleichen Gaskonzentrationen innerhalb und
außerhalb des Sensors).
Liegt beispielsweise die Konzentration des zu detektierenden
Gases (oder eines anderen absorbierenden Gases) außerhalb
der Meßkammer 102 wesentlich höher als innerhalb, so ist es
wie in der bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Sen
sors nach Fig. 1 möglich, zumindest den Lichtweg zwischen
der Lichtquelle 113 und dem optischen Fenster 104 mittels
eines gasdichten Gehäuses 120 gegen die Umgebung so abzu
schirmen, daß störende Gaskomponenten dort nicht zu einer
das Meßergebnis verfälschenden Absorption führen. Der Grad
der Gasdichtheit und Druckfestigkeit ist dabei - ebenso wie
auch für die Meßkammer 102 des Sensors - vom speziellen Ein
satzzweck und von der speziellen Einsatzumgebung des Sensors
abhängig.
Das hier beschriebene Anwendungsbeispiel genügt zur Verwen
dung bei im wesentlichen atmosphärischen Druck inklusive der
atmosphärischen Änderungen und der Verwendung in Höhen von
etwa 0 bis 1500 Meter über dem Meeresspiegel (Druckschwan
kungen etwa +/- 15%). Bei größeren Druckveränderungen oder
besonders häufigen Druckschwankungen können aus dem Stand
der Technik bekannte Maßnahmen zur Adaption des Innendruckes
im Gehäuse 120 genutzt werden.
Das gasdichte Gehäuse 120 besteht aus einem tragenden Gehäu
seteil 121, welcher mit dem Sensorblock 101 verschraubt wer
den kann. Dabei muß der Übergang zwischen dem tragenden Ge
häuseteil 121 und dem Sensorblock 101 und/oder der optischen
Blende 106 gasdicht ausgeführt sein. Dies kann durch Ein
bringen von Dichtmitteln 123, beispielsweise eines Dichtrin
ges oder einer vorzugsweise wieder lösbaren Verklebung zwi
schen den genannten Teilen geschehen. Alternativ dazu kann
das tragende Gehäuseteil 121 auch so ausgelegt werden, daß
es zusätzlich als optische Blende 104, bzw. als Teil davon
einsetzbar ist.
Auf dem tragenden Gehäuseteil 121 ist sowohl die Hilfspla
tine 114 z. B. mittels Abstandshaltern (aus Gründen der Über
sichtlichkeit nicht dargestellt), als auch ein z. B. pultför
miger Gehäuseoberteil 124 gasdicht befestigt, welcher die
Hilfsplatine 114 mit dem darauf montierten Antriebsmotor 119
und der Lichtquelle 113 umgibt. Der abgeschrägte Teil 125
des pultförmigen Gehäuseoberteils 124 ist in diesem Ausfüh
rungsbeispiel über dem flacher bauenden Antriebsmotor 119
und der freien Seite des Blendenrades 117 angeordnet und
enthält mehrere gasdichte elektrische Durchführungen 126
(z. B. eingelötete übliche glasisolierte Durchführungen, wel
che durch ihre Anordnung den äußeren Umriß des Gehäuses 120
nicht überragen) zum Anschluß der im Gehäuse 120 eingebauten
und über Kabel 127 mit den Durchführungen 126 verbundenen
elektrischen Komponenten (Lichtquelle 113, Antriebsmotor 119
und gegebenenfalls weitere elektrische Einrichtungen) an die
außerhalb befindliche Steuerschaltung (nicht dargestellt).
Die gasdichte Verbindung zwischen dem tragenden Gehäuseteil
121 und dem pultförmigen Gehäuseoberteil 124 ist z. B. durch
eine Lötnaht erreichbar. Weitere Verbindungsverfahren wie
Verschweißen, Verkleben usw. sind dem bekannten Stand der
Technik entnehmbar.
In Fig. 2a ist schematisch eine kreisrunde optische Blende
206 (von der Meßkammer 102 aus gesehen) mit einer am Kreis
umfang angebrachten Positionierungsnase 228 zur Sicherstel
lung einer bestimmten Position auf dem Sensorblock 101 und
damit auch zur beweglichen Blende 115. Die optische Blende
206 besteht vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff
(z. B. Edelstahl) und weist zwei Blendenöffnungen 229 auf,
welche vorzugsweise als kreissektorförmige Durchbrüche aus
geführt sind. Über diese Blendenöffnungen 229 sind von der
anderen Seite (auf die Lichtquelle 113 gerichtet) optische
Filter 230 gelegt, welche nur für einen bestimmten Wellen
längenanteil des eingestrahlten Lichtes durchlässig sind.
Die optische Blende 206 deckt eine Öffnung 203b des in der
Fig. 2b in einer Draufsicht dargestellten Sensorblockes 201
ab. Der in seinem Querschnitt vorzugsweise sechseckig ausge
legte Sensorblock 201 weist auf seiner Oberseite
(Basisfläche des Prismas) vier jeweils an den Ecken orien
tierten und auf einem Kreis befindliche Gewindebohrungen 231
zur Befestigung des tragenden Gehäuseteils 221 auf. Zur Ab
dichtung zwischen dem Sensorblock 201 und dem tragenden Ge
häuseteil 221 ist auf der Oberseite des Sensorblocks 201 in
Randnähe außerhalb der Gewindebohrungen 231 eine Nut 232 zum
Einlegen eines O-Ringes 233 vorgesehen.
Weiterhin weist die obere Öffnung 203 b des Sensorblocks 201
am Rand der Meßkammer 202 eine Einsenkung 234 mit einer Aus
nehmung 235 auf. In die Einsenkung 234 wird die optische
Blende 206 unter Zwischenlage eines zweiten O-Ringes 236 so
eingelegt, daß es mit seiner Oberkante bei nicht gepreßtem
O-Ring die Oberkante des Sensorblockes 201 überragt. Die Po
sitionierungsnase 228 der optischen Blende 206 kommt dabei
in der Ausnehmung 235 zu liegen und sichert die optische
Blende 206 gegen eine Verdrehung.
Fig. 2c zeigt ein Schnittbild durch das Oberteil des Sensor
blockes 201 mit der als optisches Fenster 204 eingesetzten
Blende 206 und den Übergang zum tragenden Gehäuseteil 221.
Dabei weist der Sensorblock 201 am Rand zur Meßkammer 202
die Ausnehmung 235 auf, in welche der zweite O-Ring 236 ein
gelegt ist. Durch eine entsprechende Formgebung der Anpreß
fläche 237 der Ausnehmung 235 wird verhindert, daß der
O-Ring 236 unter Druckbelastung herausgepreßt wird. Auf diesem
zweiten O-Ring 236 liegt die optische Blende 206 mit den
Blendenöffnungen 229 auf, wobei der Rand der optischen
Blende 206 über den Rand der Meßkammer 202 herausragt. Die
optischen Filter 230 überdecken die Blendenöffnungen 229
vollständig und sind auf der optischen Blende 206 auf der
der Meßkammer 201 abgewandten Seite gasdicht befestigt, vor
zugsweise auf diese geklebt. Bei größeren Druckdifferenzen
zwischen der Meßkammer 202 und der Umgebung ist es auch mög
lich, die optische Blende 206 durch eine "Sandwichbauweise"
zu verstärken; dies kann beispielsweise dadurch geschehen
daß zwei optische Blenden 206 mit zwischenliegenden opti
schen Filtern 230 verklebt werden. Dabei kann der obere Teil
dieser optischen Blende - wie in der Erläuterung zu Fig. 1
bereits angedeutet - als Teil des gasdichten Gehäuses 120
ausgelegt sein.
Im verbleibenden Rand der Basisfläche des Sensorblocks 201
ist nahe dem äußeren Rand eine Nut 232 eingefräst, in welche
ein erster O-Ring 233 eingelegt ist; weiterhin sind in die
Basisfläche mehrere Gewindebohrungen 231 eingebracht, die
von der Nut 232 umschlossen werden. Der tragende Gehäuseteil
221 wird mittels der Gewindebohrungen auf die Basisfläche
des Sensorblockes 201 aufgeschraubt und dabei durch den
ersten O-Ring 233 gegen die Umgebung abgedichtet. Gleichzei
tig drückt ein innerer Rand 238 einer Ausnehmung 239 im tra
genden Gehäuseteil 221, welcher geringfügig kleiner ist wie
der Durchmesser des optischen Fensters 204, auf den Rand der
optischen Blende 206 und damit diese gegen den zweiten
O-Ring 236 und dichtet so die Meßkammer 201 gegen die Umgebung
ab.
Die im vorstehenden erläuterten erfindungsgemäßen Konstruk
tionen insbesondere zur gasdichten und druckfesten Auslegung
der Meßkammer 102, 202 und des Gehäuses 121, 221, 123 stel
len nur ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel dar, das sich
jederzeit durch andere vorteilhafte Ausgestaltungen ergän
zen, bzw. erweitern oder auch vereinfachen läßt.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein kreisförmiges
Blendenrad 317 mit einer zentralen Drehachse 318 und zwei
umfänglich angebrachten Reihen von jeweils gleichen, kreis
sektorförmigen Ausbrüchen 340. Die äußere Reihe besteht da
bei aus zehn Ausbrüchen 340 mit einer Breite von etwa 18
Grad, d. h. die dazwischenliegenden Stege sind etwa gleich
breit wie die Ausbrüche 340. Die innere Reihe besteht nur
aus zwei einander gegenüberliegenden Ausbrüchen 340 mit
einer Breite von etwa 45 Grad. Für das eingestrahlte Licht
ergeben sich somit zwei Modulationsfrequenzen die von der
Auswerteelektronik frequenzselektiv ausgewertet werden kön
nen. Eine Störung dieser Auswertung durch Oberwellen der Mo
dulationsfrequenzen ist durch geeignete Auswahl zu vermei
den.
In das Blendenrad 317 ist gestrichelt eine beispielhafte op
tische Blende 306 mit zwei verschiedenen Blendenöffnungen
329 gezeichnet, um die Überdeckungsverhältnisse zwischen den
Ausbrüchen 340 und den Blendenöffnungen 329 aufzuzeigen.
Die Blendenöffnungen 329 sind ebenfalls kreissektorförmig
und so untereinander (in radialer Richtung des Blendenrades
317 gesehen) angebracht, daß sie jeweils vollständig von al
len Ausbrüchen 340 je einer umfänglich angeordneten Reihe
überstrichen werden. Die Ausbrüche 340 sind dabei in ihrer
Ausdehnung in radialer Richtung geringfügig größer als die
Blendenöffnungen 329. Dies dient ausschließlich der Kompen
sation fertigungstechnischer Toleranzen. In Richtung des Um
fangs ist die äußere Reihe von Ausbrüchen 340 breiter, die
innere Reihe schmäler als die zugeordneten Blendenöffnungen
329.
Die Intensität des eingestrahlten modulierten Lichtes wird
jeweils durch den Blendenanteil mit der kleineren durch
strahlbaren Fläche bestimmt und erreicht ein Maximum, wenn
sich ein Ausbruch 340 und eine Blendenöffnung 329 vollstän
dig überdecken; die Intensität geht gegen Null, wenn sich
die beiden gar nicht überdecken. Dazwischen steigt die In
tensität im wesentlichen linear an, bzw. fällt ebenso ab.
Sind die Breiten der Ausbrüche 340 und der Blendenöffnungen
329 in Umfangsrichtung gleich groß, ergibt sich somit ein
Intensitätsverlauf in Form einer Dreiecksschwingung; dies
erschwert in der Regel die elektronische Auswertung des Sig
nals, da sich dadurch permanente Einschwingvorgänge ergeben
können, welche das Meßergebnis gegebenenfalls verfälschen.
Vorzugsweise werden daher unterschiedliche Längen für die
Ausbrüche 340 und die jeweils zugeordneten Blendenöffnungen
329 verwendet, um so einen trapezförmigen Intensitätsverlauf
zu erzielen, dessen Anteil an konstanter Intensität beson
ders einfach auszuwerten ist.
Die mittels des Druckgradientenwandlers 112 innerhalb der
Meßkammer 102 des Sensors detektierbaren Druckschwankungen
sind von der Differenz der erreichbaren Intensitäten und von
der Dauer der Einstrahlung, mithin auch vom Puls-Pausenver
hältnis abhängig. Welche Verhältnisse nun durch die Wahl be
stimmter Geometrien beim Blendenrad 317, bzw. bei der opti
schen Blende 306 eingestellt werden, ist wiederum von ver
schiedenen vorgegebenen Parametern, wie z. B. untere und
obere Grenzempfindlichkeit, Art des zu detektierenden Gases,
Begleitgase, notwendige Meßgeschwindigkeit usw. abhängig,
muß also für jeden Anwendungsfall einzeln erarbeitet werden.
Insbesondere kann durch die Vorgabe unterschiedlicher maxi
mal durchstrahlbarer Flächen für die den verschiedenen zu
detektierenden Gasen zugeordneten Blenden/Ausbruch-Kombina
tionen eine Adaption an die Absorptionsintensität des jewei
ligen Gases bei der zu messenden Konzentration, an die spek
tralabhängige Intensitätsverteilung der Lichtquelle 113 bei
der jeweils ausgewählten Absorptionswellenlänge des zu de
tektierenden Gases und an die wellenlängenabhängige Durch
laßdämpfung der verwendeten optischen Filter 230 (die wie
derum zu den zu detektierenden Gasen geeignet ausgewählt
sind) erreicht werden. Ziel all dieser Anpassungsmaßnahmen
ist es, jeweils für alle zu messenden Gase innerhalb des ge
wünschten Meßbereichs Druckschwankungen gleicher Intensität
in der Meßkammer 202 zu erzeugen, so daß der Dynamikbereich
des Druckgradientenwandlers 112 für alle Meßgase vollständig
genutzt werden kann.
Es ist selbstverständlich auch möglich, mehr als zwei Gase
mit der obenbeschriebenen Sensoranordnung zu detektieren.
Dazu werden in einfacher Weise mehr als zwei übereinander
liegende Blendenöffnungen 329 (in radialer Richtung des
Blendenrades 317 gesehen) in die optische Blende 306 einge
bracht. Ebenso erhält das Blendenrad 317 mehr als zwei um
fänglich angeordnete Reihen von Ausbrüchen 340 mit unter
schiedlicher Periodizität.
Eine derartige Anordnung erreicht jedoch durch die Begren
zung der zur Verfügung stehenden Fläche des optischen Fen
sters 204 rasch eine Grenze hinsichtlich der erreichbaren
Meßempfindlichkeit. Aus diesem Grund ist eine besonders ein
fache Erweiterung auf mehrere Gase durch die Nutzung der
zweiten als optisches Fenster 104 nutzbaren Öffnung 103 der
Meßkammer 101 - wie im folgenden beschrieben - als zusätzli
che erfinderische Maßnahme möglich.
In Fig. 4 ist schematisch ein optoakustischer Sensor für
vier unterschiedliche Gaskomponenten dargestellt. Dabei be
steht der Sensor - analog zu Fig. 1 - aus einem Sensorblock
401 mit einer in Form einer Bohrung eingebrachten Meßkammer
402, welche in den beiden Basisflächen als optische Fenster
404a, 404b nutzbare Öffnungen 403a und 403b aufweist. Diese
beiden Öffnungen 403a, 403b werden mittels optischer Blenden
406a und 406b luftdicht verschlossen und dienen der Ein
strahlung von unterschiedlich moduliertem Licht.
Der weitere Aufbau zur Erzeugung des modulierten Lichtes ist
identisch, bzw. für das zweite optische Fenster 404b spie
gelbildlich identisch wie bei Fig. 1. Das gleiche gilt für
ein zweites Gehäuse 420b, welches - ebenfalls spiegelbild
lich identisch zum ersten Gehäuse 420a - den gesamten Licht
weg zur Erzeugung des modulierten Lichtes gasdicht gegen die
Umgebung abschirmt. Für die detaillierte Beschreibung wird
daher ausdrücklich auf die Erläuterungen zu Fig. 1 verwie
sen.
Um die Signale des an die Meßkammer angekoppelten Druckgra
dientenwandlers 412 auswerten zu können, müssen die Modula
tionsfrequenzen für das auf beiden Seiten in die Meßkammer
402 eingestrahlten Lichtes unterschiedlich sein. Dies kann
anlog zur Erläuterung zu Fig. 3 durch die Verwendung von
zwei mit unterschiedlichen Ausbrüchen 440 versehenen Blen
denrädern 417a und 417b geschehen (unterschiedliche Anzahl
von Ausbrüchen 440 über den Umfang der Blendenräder 417),
oder aber es werden identische Blendenräder 417a und 417b
verwendet, wobei die jeweiligen Antriebsmotoren 419a bzw.
419b für die Blendenräder 417a bzw. 417b durch geeignete An
steuerung unterschiedliche Drehzahlen aufweisen.
Bezugszeichenliste
101, 201, 401 Sensorblock
102, 202, 402 Meßkammer
103, 203, 403 Öffnungen
104, 204, 404 optisches Fenster
105 Metallplatte
106, 206, 306, 406 optische Blende
107 Seitenwände von 101
108 Gaseinlaßöffnung
109 Gasauslaßöffnung
110 Ein- und Auslaßventile
111 Detektoröffnung
112, 412 Druckgradientenwandler
113 Lichtquelle
114 Hilfsplatine
115 bewegliche Blende
116 Reflektor
117, 317, 417 Blendenrad
118, 318 Drehachse
119, 419 Antriebsmotor
120, 420 gasdichtes Gehäuse
121, 221 tragendes Gehäuseteil von 120
123 Dichtmittel
124 Gehäuseoberteil
125 abgeschrägter Teil von 124
126 elektrische Durchführungen
127 Kabel
228 Positionierungsnase
229, 329 Blendenöffnungen
230 optische Filter
231 Gewindebohrungen
232 Nut
233 O-Ring
234 Einsenkung
235 Ausnehmung
236 zweiter O-Ring
237 Anpreßfläche
238 innerer Rand von 239
239 Ausnehmung
340, 440 Ausbrüche in 317
102, 202, 402 Meßkammer
103, 203, 403 Öffnungen
104, 204, 404 optisches Fenster
105 Metallplatte
106, 206, 306, 406 optische Blende
107 Seitenwände von 101
108 Gaseinlaßöffnung
109 Gasauslaßöffnung
110 Ein- und Auslaßventile
111 Detektoröffnung
112, 412 Druckgradientenwandler
113 Lichtquelle
114 Hilfsplatine
115 bewegliche Blende
116 Reflektor
117, 317, 417 Blendenrad
118, 318 Drehachse
119, 419 Antriebsmotor
120, 420 gasdichtes Gehäuse
121, 221 tragendes Gehäuseteil von 120
123 Dichtmittel
124 Gehäuseoberteil
125 abgeschrägter Teil von 124
126 elektrische Durchführungen
127 Kabel
228 Positionierungsnase
229, 329 Blendenöffnungen
230 optische Filter
231 Gewindebohrungen
232 Nut
233 O-Ring
234 Einsenkung
235 Ausnehmung
236 zweiter O-Ring
237 Anpreßfläche
238 innerer Rand von 239
239 Ausnehmung
340, 440 Ausbrüche in 317
Claims (12)
1. Optoakustischer Gassensor zur gleichzeitigen Detektion
von mehreren Gasarten mit einer Meßkammer (102, 202,
402), welche mit einem Gasgemisch befüllbar ist, das
ein oder mehrere zu detektierende Gase zumindest antei
lig enthält, mit einem an der Meßkammer (102, 202, 402)
angeordneten optischen Fenster (104, 204, 404) zur Ein
strahlung von mittels einer beweglichen Blende (115)
moduliertem Licht, welches durch geeignete optische
Filter (230) auf einen oder mehrere bestimmte Wellen
längenbereiche begrenzt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das optische Fenster (104,
204, 404) aus einer eine Öffnung (103, 203, 403) der
Meßkammer (102, 202, 302) luftdicht abdeckenden Blende
(106, 206, 306, 406) mit mehreren, vorzugsweise zwei
Blendenöffnungen (229, 329) besteht, welche mit unter
schiedlichen optischen Filtern (230) luftdicht ver
schlossen sind.
2. Optoakustischer Gassensor zur gleichzeitigen Detektion
von mehreren Gasarten mit einer Meßkammer (102, 202,
402), welche mit einem Gasgemisch befüllbar ist, das
ein oder mehrere zu detektierende Gase zumindest antei
lig enthält, mit einem an der Meßkammer (102, 202, 402)
angeordneten optischen Fenster (104, 204, 404) zur Ein
strahlung von mittels beweglichen Blenden (115) modu
liertem Licht, welches durch geeignete optische Filter
(230) auf einen oder mehrere bestimmte Wellenlängenbe
reiche begrenzt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (102, 202,
402) mindestens zwei, vorzugsweise einander gegenüber
liegende optische Fenster (104, 204, 404) aufweist, daß
die optischen Fenster (104, 204, 404) aus Öffnungen
(103, 203, 403) der Meßkammer (102, 202, 403) luftdicht
abdeckenden Blenden (106, 206, 306, 406) mit mehreren,
vorzugsweise jeweils zwei Blendenöffnungen (229, 329)
bestehen, welche mit unterschiedlichen optischen Fil
tern (230) luftdicht verschlossen sind.
3. Optoakustischer Gassensor gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnungen (229,
329) in ihrer Durchlaßform dergestalt auf die zeitliche
Einstrahlcharakteristik des modulierten Lichtes abge
stimmt sind, daß der Strahlungsverlauf in der Meßkammer
(102, 202, 402) eine zumindest angenäherte Trapezform
aufweist.
4. Optoakustischer Gassensor gemäß mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnungen (229,
329) im Verhältnis ihrer durchstrahlbaren Flächen an
die unterschiedliche, Absorptionsintensität der zu de
tektierenden Gase angepaßt sind.
5. Optoakustischer Gassensor gemäß mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnungen (229,
329) im Verhältnis ihrer durchstrahlbaren Flächen an
die wellenlängenabhängige Intensität der Lichtquelle
(113), entsprechend den Durchlaßbereichen der einge
setzten optischen Filter (230) angepaßt sind.
6. Optoakustischer Gassensor gemäß mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnungen (229,
329) im Verhältnis ihrer durchstrahlbaren Flächen an
die wellenlängenabhängigen Durchlaßdämpfungen der ver
wendeten optischen Filter (230) angepaßt sind.
7. Optoakustischer Gassensor gemäß mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial der
optischen Blenden (106, 206, 306, 406) aus einem gegen
das Meßgas inerten, für die verwendeten Wellenlängenbe
reiche der Strahlung undurchlässigen Werkstoff, vor
zugsweise aus Edelstahl besteht.
8. Optoakustischer Gassensor nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung zwischen
Meßkammer (102, 202, 402) und optischer Blende (106,
206, 306, 406) ein oder mehrere Dichtringe (236) aus
elastischem Material verwendet sind, welche einer Flä
chenpressung unterliegen.
9. Optoakustischer Gassensor gemäß mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Lichtweg zwi
schen der Lichtquelle (113) und der optischen Blende
(106, 206, 306, 406) durch ein Gehäuse (120, 420) gas
dicht gegen die Umgebung abgeschlossen ist.
10. Optoakustischer Gassensor gemäß Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (120, 420) ge
gen den Sensorblock (101, 201, 401) mit einem oder meh
reren Dichtringen (236) aus elastischem Material abge
dichtet und ortsfest mit dem Sensorblock (101, 201,
401) verbunden ist.
11. Optoakustischer Sensor gemäß mindestens einem der
Ansprüche 9 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (120, 420) aus
mindestens zwei Teilen (121, 221, 124) besteht, welche
gasdicht miteinander verbunden sind.
12. Optoakustischer Sensor gemäß mindestens einem der
Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß in das Gehäuse (120, 420)
gasdichte elektrische Durchführungen (126) zum Anschluß
der innenliegenden elektrischen Komponenten (113, 119,
419) eingebaut sind.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944411853 DE4411853C2 (de) | 1994-04-06 | 1994-04-06 | Optoakustischer Gassensor zur gleichzeitigen Detektion von mehreren Komponenten eines Gasgemisches |
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DE19944411853 DE4411853C2 (de) | 1994-04-06 | 1994-04-06 | Optoakustischer Gassensor zur gleichzeitigen Detektion von mehreren Komponenten eines Gasgemisches |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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