DE4411853C2 - Optoakustischer Gassensor zur gleichzeitigen Detektion von mehreren Komponenten eines Gasgemisches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optoakustischen Gassensor zur gleichzeitigen Detektion von mehreren Komponenten eines Gasgemisches gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Sensoren sind beispielsweise aus der DE 37 16 763 A1 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 eingestrahlt, welches durch einen geeigneten optischen Filter auf einen bestimmten Wellenlängenbereich begrenzt ist. Der verwendete Wellenlängenbereich wird dabei durch eine ausgewählte Absorptionswellenlänge des zu detektierenden Gases bestimmt.

Durch die Absorption des eingestrahlten Lichtes kommt es zu einer Temperaturerhöhung des Gases und damit zu einer Drucksteigerung innerhalb, der Meßkammer. Die Verwendung einer modulierten- Lichtquelle erzeugt bei einer geeigneten Abstimmung zwischen der Modulationsfrequenz des eingestrahlten Lichtes und den thermischen Eigenschaften von -Meßkammerwerkstoff und -geometrie Temperatur- bzw. Druckschwankungen innerhalb der Meßkammer. Mittels eines an das Volumen in der Meßkammer akustisch angekoppelten Mikrofons können diese Druckschwankungen detektiert und mit einer üblichen elektronischen Schaltung ausgewertet werden. Zwischen der Höhe der Druckschwankungen und der Konzentration des zu detektierenden Gases besteht ein direkter, nicht völlig linearer Zusammenhang.

Der oben genannten Offenlegungsschrift ist weiter entnehmbar, daß in einem Abstand vor dem Fenster der Meßkammer auch mehrere optische Filter angeordnet werden können, deren Durchlaßbereiche verschiedenen zu detektierenden Gasen zugeordnet sind. Dabei wird die Strahlung aus einer vor den Filtern angeordneten 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 Gaskomponenten.

Ein derartiger Sensoraufbau führt durch die notwendigen Abstände zwischen den verschiedenen optischen Komponenten im Lichtweg in Umgebungen, die ebenfalls Komponenten der zu detektierenden 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 Lichtmodulation bewirkt, der nur durch eine komplexe, fertigungstechnisch schwierig zu verwirklichende Form der Durchbrüche in der Lochscheibe kompensiert werden kann.

Aus der DE-OS 19 48 192 ist eine Anordnung zur Bestimmung einer einzelnen Komponente eines Gasgemisches mittels eines Strahlungsempfängers durch Differenzbildung zwischen der Strahlungsabsorption des Meßgasgemisches und eines die zu bestimmende Komponente nicht oder in bekannter Konzentration enthaltenden Vergleichsgases oder -gasgemisches bekannt.

Dazu wird bspw. Luft, dessen Komponente Wasserdampf gemessen werden soll, einer ersten Meßküvette direkt und einer zweiten Meßküvette über einen Lufttrockner zugeführt. Die beiden Meßküvetten werden von einem einzelnen Infrarotstrahler mit Hilfe zweier geeigneter Spiegel durchstrahlt. Die beiden Strahlenbündel treten durch - den Einstrahlfenstern gegenüberliegende - Ausstrahlfenster wieder aus und fallen danach auf ein Array von strahlungsempfindlichen Widerständen in Brückenschaltung. Die Differenz zwischen den Intensitäten der aus den beiden Küvetten austretenden Strahlung ist ein Maß für den Wasserdampfanteil in der zu messenden Luft und wird mittels des Widerstandsdetektors und mit elektronischen Mitteln weiter ausgewertet.

Die Fenster am Strahlungsein- und -auslaß wirken dabei jeweils zusammen als Bandfilter; das heißt, es werden jeweils Bandkantenfilter eingesetzt, die erst in Kombination einen mehr oder weniger schmalbandigen Wellenlängenbereich durchlassen, in welchem das zu detektierende Gas absorbiert.

Aus der US 4 420 687 ist ein weiterer nicht dispersiver Infrarotabsorptions-Gasanalysator bekannt, der mittels zweier Meßküvetten die Differenz der Absorptionen in einem Meßgas und einem Referenzgas ermittelt. Dabei wird mittels einer rotierenden Blendenscheibe mit zwei koaxial und gegeneinander versetzt angeordneten Reihen von Öffnungen abwechselnd die Meßgasküvette und die Referenzgasküvette von einer Infrarotquelle durchstrahlt. Um die Absorption in beiden Küvetten absolut vergleichbar zu gestalten, werden die Öffnungen der rotierenden Blende so auf die strahlbegrenzenden Durchlässe der Küvetten abgestimmt, daß bei einer Verwendung von Referenzgas als Meßgas die IR- Signale am für beide Küvetten gemeinsamen IR-Detektor identisch sind. Diese spezielle Ausformung der Öffnungen in der rotierenden Blende ist in gleicher Weiser nachteilig, wie eingangs bei der DE 37 16 763 A1 erläutert.

Aus DE 82 29 505 U1 ist ein optisches Gasanalysegerät entnehmbar, bei welchem in einem Metallgehäuse runde optische Fenster eingebaut sind, die mittels eines umfänglich angeordneten Dichtungsringes aus dauerelastischem Material gegen das Gehäuse abgedichtet werden. Die Dichtungsringe sind in eine abgesetzte Ausnehmung in der Wandung des Metallgehäuses eingelegt. Ein Haltering drückt das Fenster gegen das Dichtungsmaterial.

Die Zeitschrift tm-Technisches Messen, Heft 7/8, 1993, S. 296-301 zeigt in Bild 7.44 und zugehöriger Beschreibung einen nicht dispersiven Infrarotabsorptions-Gasanalysator, der mittels zweier Meßküvetten die Differenz in der Absorption in einem Meßgas und einem Referenzgas ermittelt (analog zum oben bereits beschriebenen Stand der Technik). Dabei wird im genannten Bild ein einen Teil des IR-Weges (Quelle, Interferenzfilter, optisches Eintrittsfenster) umschließendes Gehäuse gezeigt, welches direkt auf der Meßküvette sitzt. Eine Luftdichtheit dieses Gehäuses ist nicht erkennbar; der Beschreibung dazu ist aber entnehmbar, welche Störungen atmosphärische Beimischungen bei der Messung, z. B. im genannten Lichtweg hervorrufen können.

Aus DD 1 59 367 B3 ist ebenfalls ein nicht dispersiver Infrarotabsorptions-Gasanalysator bekannt, dessen Küvetten spiegelsymmetrisch bezüglich eines gemeinsamen IR-Detektors angeordnet sind. Der technische Sinn ist dabei weitestgehend identisch mit dem der US 4 420 687, jedoch wurde eine andere geometrische Anordnung zur Adaption der beiden Strahlenwege gewählt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen fertigungstechnisch einfach zu realisierenden optoakustischen Gassensor zur gleichzeitigen Detektion mehrerer Komponenten eines Gasgemisches aufzuzeigen, welcher durch einfache Maßnahmen im optischen Weg für alle zu messenden Gaskomponenten bezüglich des gewünschten Meßbereichs optimierbar ist. Gleichzeitig soll dieser optoakustische Gassensor durch in der Umgebung enthaltene gleiche Gaskomponenten nicht oder nur in einem geringen Umfang beeinflußt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein optoakustischer Gassensor 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 Gassensor anhand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 einen vereinfacht dargestellten optoakustischen Gas­ sensor in einer bevorzugten Ausführung,

Fig. 2a ein als Blende mit mehreren optischen Filtern aus­ gelegtes optisches Fenster für die Meßkammer des Gas­ 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 Gassensor mit einer Meßkammer mit zwei optischen Fenstern zur Detektion von vier unterschiedlichen Gaskomponenten.

In Fig. 1 ist ein optoakustischer Gassensor zur Detektion be­ stimmter gasförmiger Medien in einer bevorzugten Ausführung schematisch dargestellt. Gassensor besteht aus einem Sen­ sorblock 101 mit einer darin integrierten Meßkammer 102. Der Sensorblock 101 besteht 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. 1 dargestellten optoakustischen Gassensor - 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 mit entsprechenden Ein- bzw. Auslaßventilen 110 bestückt sind und in ver­ schiedenen Seitenwänden 107 angeordnet sind, um die Durch­ strömung der Meßkammer 102 zu optimieren. 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 durchs das optische Fenster 104 in die Meßkammer 102 eingestrahlt wird. Die be­ wegliche Blende 115 besteht dabei in der dargestellten 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 104 hinaus versetzt, wobei der Rand des Blendenrades 117 zumindest die wirksame Fläche der 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 so montiert wird, daß ihre Lichtaustrittsöff­ nung bündig mit der der optischen Blende 106 zugewandten Ober­ fläche der Hilfsplatine 114 abschließt, und den Raumbedarf 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 Gassensor durch in der Umgebung des Gassensors 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 Gassensors).

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 beschriebenen Ausführung des Gassensors 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 Gassensors - vom speziellen Ein­ satzzweck und von der speziellen Einsatzumgebung des Gassensors 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 (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 miges Gehäuseoberteil 124 gasdicht befestigt, welches 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 aus einem metallischen Werkstoff (z. B. Edelstahl) und weist zwei Blendenöffnungen 229 auf, welche beispielsweise 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 beispielsweise 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 die 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 dem 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 202 abgewandten Seite gasdicht befestigt, beispielsweise 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. Das 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 202 gegen die Umgebung ab.

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 Intensitätsverlaufin 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. Es 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 Gassensors 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 Gassensoranordnung 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 Maßnahme möglich.

In Fig. 4 ist schematisch ein optoakustischer Gassensor 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.

Claims (9)

1. Optoakustischer Gassensor zur gleichzeitigen Detektion von mehreren Komponenten eines Gasgemisches mit einer Meßkammer, welche mit dem Gasgemisch befüllbar ist, mit mindestens einem die Öffnung der Meßkammer gasdicht ver­ schließenden optischen Fenster, einer Lichtquelle mit einer beweglichen Blende zur Erzeugung von moduliertem Licht mit mehreren Frequenzen mit unterschiedlichen op­ tischen Filtern zur Begrenzung der von der Lichtquelle abgegebenen Strahlung auf einen oder mehrere bestimmte Wellenlängenbereiche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Fenster (104; 204; 404a, 404b) aus einer die Öffnung (103; 203; 403a, 403b) der Meß­ kammer (102; 202; 402) gasdicht abdeckenden Blende (106; 206; 306; 406a, 406b) besteht, deren Blendenöffnungen durch die verschiedenen optischen Filter (230) gasdicht abge­ schlossen sind, wobei die Blendenöffnungen (229; 329) im Verhältnis ihrer durchstrahlbaren Flächen an die unter­ schiedliche Absorptionsintensität der zu detektierenden Gase, an die wellenlängenabhängige Intensität der Licht­ quelle (113) und an die wellenlängenabhängigen Durchlaß­ dämpfungen der verwendeten optischen Filter (230) ange­ paßt sind.

2. Optoakustischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (102; 202; 402) ein weiteres, dem erstgenannten optischen Fenster (104; 204; 404a) gegenüberliegendes optisches Fenster (404b) mit der vorgenannten Blendenausbildung aufweist.

3. Optoakustischer Gassensor nach 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 zeitliche Strahlungsverlauf in der Meßkammer (102; 202; 402) eine angenäherte Trapezform aufweist.

4. Optoakustischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial der opti­ schen Blenden (106; 206; 306; 406a, 406b) aus einem gegen das Gasgemisch inerten, für die verwendeten Wellenlängenbe­ reiche der Strahlung undurchlässigen Werkstoff, vorzugs­ weise aus Edelstahl, besteht.

5. Optoakustische Gassensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung zwischen der Meßkammer (102; 202; 402) und der optischen Blende (106; 206; 306; 406a, 406b) ein oder mehrere Dichtringe (236) aus elastischem Material verwendet sind, welche durch eine Verschraubung zwischen der optischen Blende (106; 206; 306; 406a, 406b) und der Meßkammer (102; 202; 402) einer Flächenpressung unterliegen.

6. Optoakustischer Gassensor nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Lichtweg zwi­ schen der Lichtquelle (113) und der optischen Blende (106; 206; 306; 406a, 406b) durch ein Gehäuse (120; 420a, 420b) gasdicht gegen die Umgebung abgeschlossen ist.

7. Optoakustischer Gassensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (120; 420a, 420b) gegen den Sensorblock (101; 201; 401) mit einem Dichtring (233) aus elastischem Material abgedichtet und ver­ schraubt ist.

8. Optoakustischer Gassensor nach Anspruche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (120) aus minde­ stens zwei Teilen (121, 124) besteht, welche gas­ dicht miteinander verbunden sind.

9. Optoakustischer Sensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in das Gehäuse (120) gas­ dichte elektrische Durchführungen (126) zum Anschluß der innenliegenden elektrischen Komponenten (113, 119) ein­ gebaut sind.