DE602004008562T2

DE602004008562T2 - Gassensor

Info

Publication number: DE602004008562T2
Application number: DE602004008562T
Authority: DE
Inventors: David Michael Newark Stuttard
Original assignee: Dynament Ltd
Current assignee: Dynament Ltd
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2024-09-04
Also published as: GB2403291A; GB2401432A; GB2401432B; ATE371854T1; EP1544603A2; EP1818667A2; EP1544603B1; EP1818667A3; GB0328684D0; GB2403291B; EP1544603A3; DE602004008562D1; GB0414127D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Gassensoren und insbesondere Gassensoranordnungen, die das Vorhandensein eines bestimmten Gases durch Überwachen der Absorption optischer Strahlung detektieren, die durch eine Kammer transmittiert wird, die eine Probe von zu testendem Gas enthält.
Gassensoren, die eine Infrarotquelle und einen entsprechenden Infrarotdetektor benutzen, sind wohlbekannt, insbesondere in der Konstruktion von beispielsweise Kohlendioxid- und Kohlenwasserstoffgasdetektoren. Durch die Quelle abgestrahlte Infrarotstrahlung wird auf den Detektor gebündelt, wobei sie durch eine Kammer hindurchgetreten ist, die das zu testende Gas enthält, wobei etwas von der Infrarotstrahlung durch das Gas absorbiert wird. Die Absorption durch ein bestimmtes Gas ist eine Funktion der Wellenlänge der Infrarotstrahlung, und durch sorgfältige Auswahl eines zweckentsprechenden optischen Bandpasses am Detektor ist es möglich, das Vorhandensein eines bestimmten Gases zu bestimmen.
Eine besonders kompakte Form eines optischen Gassensors ist in GB 2372099 B an Dynament Limited beschrieben worden und ist in 1 bis 3 gezeigt. Ein Gassensor 1 umfaßt eine optische Quelle 2 zum Abstrahlen von Strahlung im optischen Spektrum und einen Detektor 3 zur Detektion von Strahlung, die durch die Quelle 2 abgestrahlt wird. Die Quelle 2 und der Detektor 3 befinden sich jeweils an entgegengesetzten Enden eines optischen Wegs 4 (2), wobei der Weg durch eine Umfangskammer 5 und eine Zentralkammer 6 definiert ist, die jeweils einen allgemein umlaufenden Abschnitt 4a des optischen Wegs 4 und einen allgemein radialen Abschnitt 4b des optischen Wegs definieren.
Wie am besten in 3 zu sehen, ist die Umfangskammer 5 definiert durch: eine Kammerbasis 7; eine innere Oberfläche einer äußeren zylindrischen Wand 8 des Sensorgehäuses; eine äußere Oberfläche einer inneren zylindrischen Wand 9 des Sensorgehäuses und eine radiale Endwand 10. Die Zentralkammer 6 ist definiert durch eine innere Oberfläche der Gehäusebasis 11 und eine innere Oberfläche der inneren zylindrischen Wand 9 des Sensorgehäuses. Die Gehäusebasis 11 stellt eine ebene reflektierende Oberfläche in der Zentralkammer 6 bereit.
Die optische Kommunikation zwischen der Umfangskammer 5 und der Zentralkammer 6 erfolgt mit Hilfe eines Spalts 12 in der inneren zylindrischen Wand 9. Um die Reflexion von Strahlung von der Umfangskammer 5 in die Zentralkammer 6 zu erhöhen, stellt ein Deflektorelement 13 eine reflektierende Oberfläche 14 bereit, die sich allgemein von der äußeren zylindrischen Wand 8 zur inneren zylindrischen Wand 9 erstreckt.
Die Oberseite 16 des Sensorgehäuses enthält ein gasdurchlässiges Fenster 17, um kontrollierte Diffusion von zu testendem Gas von der äußeren Umgebung des Sensorgehäuses zum optischen Weg 4 in den Kammern 5 und 6 zu erlauben. Das gasdurchlässige Fenster 17 umfaßt typischerweise ein scheibenförmiges Element gesinterten flammsperrenden Materials, das Diffusion von Gas erlaubt, aber eine Verbrennungssperre bildet, so daß die Quelle 2 nicht versehentlich als Zündquelle wirken kann, wenn der Sensor in einer gefährlichen und entflammbaren gasförmigen Umgebung arbeitet.
Der Detektor 3 ist in der Basis 11 des Sensorgehäuses montiert und umfaßt einen pyroelektrischen Doppelelementdetektor. Die Detektorelemente 3a, 3b sind in beabstandeter Beziehung entlang einer vertikalen Achse V des Sensorgehäuses angeordnet, also einer Achse parallel zur Zentralachse, die durch die inneren und äußeren zylindrischen Wände 8, 9 definiert ist. Dieser axiale Abstand der Detektorelemente 3a, 3b stellt sicher, daß die Charakteristiken der optischen Wege, die zu jedem der Elemente führen, im wesentlichen ähnlich sind. Jedes Element 3a, 3b beinhaltet einen (nicht gezeigten) Filter, um die Transmission optischer Strahlung bei ausgewählten Frequenzen oder Frequenzbereichen zu erlauben. Diese Doppelelementkonfiguration ermöglicht, daß der Sensor mit einem Referenz- oder Kompensationsdetektor arbeitet, um die Genauigkeit der Messungen zu steigern, wie nachstehend beschrieben wird.
In Benutzung strahlt die Glühquelle 2 Infrarotstrahlung über ein breites Spektrum von Frequenzen ab. Die reflektierenden Oberflächen, die durch die inneren und äußeren zylindrischen Wände 8, 9 und die radiale Endwand 10 gebildet werden, leiten die Infrarotstrahlung um die Umfangskammer 5 herum. Die nichtbündelnde Natur der Reflektoroberflächen bedeutet, daß das Positionieren der Quelle 2 innerhalb der Umfangskammer 5 nicht kritisch ist. Sobald die Strahlung das andere Ende der Umfangskammer 5 über den optischen Weg 4a erreicht, wird die Strahlung von der reflektierenden Oberfläche 14 von Deflektor 13 fort auf den radial einwärts gerichteten optischen Weg 4b auf die Detektorelemente 3a, 3b zu reflektiert.
Ein möglicher Nachteil bei optischen Gassensoren ist im Gegensatz zu anderen Typen von Gassensoren der, daß die Detektorausgabe nicht in direkter Beziehung zur Gaskonzentration steht. Daher muß die Detektorausgabe gewöhnlich komplexer Signalverarbeitung unterzogen werden, damit sie ein zuverlässiges und genaues Signal bereitstellt, das die Gaskonzentration anzeigt.
Bei herkömmlichen Gasdetektionseinrichtungen wird diese komplexe Signalverarbeitung allgemein von Elektronik vorgenommen, die außerhalb des Sensorgehäuses ist. Der Grund dafür ist typischerweise eine Frage des Platzes. Um Rückwärtskompatibilität mit installierten Gasdetektionseinrichtungen sicherzustellen, ist es wünschenswert, beim Aufbau von Sensorgehäusen Abmessungen nach Industriestandard einzuhalten.
Auch wenn innerhalb des Sensorgehäuses Signalverarbeitung in eingeschränktem Umfang erfolgen kann, ist diese allgemein auf relativ einfache und unkomplizierte Funktionen begrenzt, wie z.B. Nullpunktjustierung, Gleichrichtung und Filterung zum Entfernen von Rauschen aus der Ausgabe. Diese Funktionen erfordern keine umfangreiche Signalverarbeitungskapazität. Typischerweise werden diese Funktionen im Analogbereich ausgeführt. Komplexere Verarbeitung wie z.B. die Herleitung der Gaskonzentration und die Linearisierung des Ausgangssignals unter Berücksichtigung von Temperaturkompensation, Druckkompensation und anderen Funktionen ist bisher vom Sensorgehäuse entfernt vorgenommen worden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine in hohem Maße kompakte Anordnung eines optischen Wegs für Gassensoren bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen integrierten Gassensor bereitzustellen, der sowohl optische Gas erfassende Komponenten als auch Signalverarbeitungselektronik innerhalb eines einzigen Sensorgehäuses bereitstellt.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Gassensor nach Anspruch 1 bereit.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden jetzt anhand eines Beispiels und unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, bei denen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht eines optischen Gassensors nach Stand der Technik ist, die innere Einzelheiten zeigt;
2 eine Draufsicht des Sensors nach 1 ist, wobei die obere Abdeckung entfernt ist;
3 eine Schnitt-Seitenansicht entlang der Linie A-A ist;
4 eine Schnitt-Seitenansicht eines modifizierten optischen Gassensors ist, der wesentlich verringerten Bauraum für die optischen Komponenten aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine Draufsicht des Sensors nach 4 ist, wobei die obere Abdeckung entfernt ist;
6 eine perspektivische Ansicht von seitlich oben des Sensors nach 4 ist, wobei die oberen und seitlichen Wände des Sensorgehäuses entfernt sind;
7 eine seitliche geschnittene Teilansicht des Sensors nach 4 ist mit einem Schnitt, der zum Schnitt nach 4 senkrecht ist; und
8 ein Prinzipschaltbild interner Komponenten des optischen Gassensors nach 4 ist.
Der optische Gassensor nach 1 bis 3 ist oben ausführlich beschrieben worden. Wie nun in Verbindung mit 4 bis 7 beschrieben werden wird, ist eine erhebliche Modifikation an der Gestaltung der optischen Komponenten nach
1 bis 3 vorgenommen worden, die den Bauraum, der für diese optischen Komponenten benötigt wird, wesentlich vermindert. Dies wiederum erlaubt einen wesentlichen Zuwachs an für Elektronikkomponenten verfügbarem Platz, um so bei einer gegebenen Sensorgehäusegröße die Einbeziehung einer Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung zu ermöglichen. Alternativ erlaubt, falls über jene Elektronikkomponenten hinaus, die bereits innerhalb des Sensorgehäuses nach 1 bereitgestellt sind, keine weiteren benötigt werden, die Anordnung nach 4 bis 7 dann den Aufbau eines Sensorgehäuses mit sehr niedrigem Profil.
In der gesamten vorliegenden Spezifikation werden Ausdrücke der relativen Position wie z.B. „Oberseite", „Unterseite", „Abdeck-", „Basis"-, „aufwärts", „abwärts" usw. ausschließlich der Einfachheit und Klarheit halber in Bezug auf den Sensor verwendet, wie er in den Zeichnungen ausgerichtet ist. Es ist in keiner Weise beabsichtigt, daß sie einschränkend für die Orientierung bei der Verwendung der beschriebenen Sensoren sind.
Unter Bezug auf 4 bis 7 umfaßt ein Gassensor 41 eine nicht gebündelte optische Quelle 42 zum Abstrahlen von Strahlung im optischen Spektrum. Es ist beabsichtigt, daß der Ausdruck „optisch" alle Teile des elektromagnetischen Spektrums abdeckt, die für die Funktion der Gasdetektion durch Absorption nützlich sind, und enthält die infraroten, sichtbaren und ultravioletten Bereiche des elektromagnetischen Spektrums. Die Quelle 42 ist vorzugsweise von glühender Art, die einen weiten Bereich von Frequenzen erzeugt, mit denen Absorptionscharakteristiken zu messen sind, kann aber auch von Halbleiterart sein, wie z.B. Dioden, die begrenzte Frequenzen oder Frequenzbänder erzeugen.
Der Gassensor 41 umfaßt ferner einen Detektor 43 zur Detektion von Strahlung, die durch die Quelle 42 abgestrahlt wird. Der Detektor 43 kann von beliebigem Typ für das Erfassen von Veränderungen in der Intensität der Strahlung, die von der Quelle empfangen wird, und das Bereitstellen einer Spannung oder eines Stroms als Funktion derselben als Ausgabe sein. In einer bevorzugten Ausführungsform, die im infraroten Spektrum arbeitet, ist der Detektor 43 ein pyroelektrischer Detektor.
Die Quelle 42 und der Detektor 43 befinden sich jeweils an entgegengesetzten Enden eines optischen Wegs 44 (5 und 6), wobei der Weg durch eine Umfangskammer 45 und eine Zentralkammer 46 definiert ist, die jeweils einen allgemein umlaufenden Abschnitt 44a des optischen Wegs 44 und einen allgemein radialen Abschnitt 44b des optischen Wegs definieren.
Die Umfangskammer 45 ist definiert durch: eine Kammerbasis 47; eine innere Oberfläche einer äußeren zylindrischen Wand 48 des Sensorgehäuses; eine äußere Oberfläche einer inneren zylindrischen Wand 49 des Sensorgehäuses und eine radiale Endwand 50. Vorzugsweise stellt die Kammerbasis 47 eine ebene reflektierende Oberfläche bereit. Vorzugsweise stellt die Kammerbasis 47 mit Hilfe einer O-Ring-Dichtung 74 einen gegen die äußere zylindrische Wand des Sensorgehäuses 48 gasdichten Sitz bereit.
Obgleich in der bevorzugten Ausführungsform die Wände der Umfangskammer 45 von zylindrischen Wänden 48, 49 gebildet sind, versteht es sich, daß eine gewisse Abweichung von gleichmäßig konvexen und konkaven Oberflächen möglich ist, beispielsweise bei Verwendung einer facettenreichen Konfiguration zum Bilden allgemein umlaufender Wände. Die Umfangswände 48, 49 könnten auch entlang der axialen Richtung konkav oder konvex sein. Die radiale Endwand 50 ist vorzugsweise eben.
Die Zentralkammer 46 ist definiert durch eine innere Oberfläche der Gehäusebasis 51 und eine innere Oberfläche der inneren zylindrischen Wand 49 des Sensorgehäuses. Die Gehäusebasis 51 stellt eine ebene reflektierende Oberfläche in der Zentralkammer 46 bereit. Obgleich in der bevorzugten Ausführungsform die gekrümmte Wand der Zentralkammer 46 von der inneren zylindrischen Wand 49 gebildet ist, versteht es sich, daß eine gewisse Abweichung von einer gleichmäßig konkaven Oberfläche möglich ist, beispielsweise bei Verwendung einer facettenreichen Konfiguration zum Bilden der inneren Oberfläche. Die innere Oberfläche der inneren zylindrischen Wand 49 könnte auch entlang der axialen Richtung konkav oder konvex sein.
Die optische Kommunikation zwischen der Umfangskammer 45 und der Zentralkammer 46 erfolgt mit Hilfe eines Spalts 52 in der inneren zylindrischen Wand 49. Um die Reflexion von Strahlung von der Umfangskammer 45 in die Zentralkammer 46 zu erhöhen, stellt ein Deflektorelement 53 eine reflektierende Oberfläche 54 bereit, die sich allgemein von der äußeren zylindrischen Wand 48 zur inneren zylindrischen Wand 49 erstreckt. Die reflektierende Oberfläche 54 ist vorzugsweise eben. Die reflektierende Oberfläche 54 ist an der Position des Spalts 52 allgemein schräg zur Tangente der äußeren und inneren Umfangswände 48, 49, kann aber auch radial sein.
Der Deflektor 53 ist vorzugsweise aus einem keilförmigen Element gebildet, das außerdem die radiale Endwand 50 bildet. Das keilförmige Element kann auch schräg (statt orthogonal) zur Kammerbasis 47 sein, so daß Licht vom umlaufenden optischen Weg 44a mindestens teilweise aufwärts gerichtet wird. Alternativ kann der Deflektor 53 auf dem keilförmigen Element mehrere Facetten umfassen, jede unter einem schiefen Winkel zur Kammerbasis 47, so daß Licht vom umlaufenden optischen Weg 44a mindestens teilweise aufwärts gerichtet wird.
Die Oberseite 56 des Sensorgehäuses enthält ein gasdurchlässiges Fenster 57, um kontrollierte Diffusion von zu testendem Gas von der äußeren Umgebung des Sensorgehäuses zum optischen Weg 44 in den Kammern 45 und 46 zu erlauben. Vorzugsweise umfaßt das gasdurchlässige Fenster 57 ein scheibenförmiges Element aus Drahtgeflecht, das eine Flammensperre bildet. Die Flammensperre könnte alternativ jedwedes flammsperrendes Material verwenden, das Diffusion von Gas erlaubt, aber eine Verbrennungssperre bildet, so daß die Quelle 42 nicht versehentlich als Zündquelle wirken kann, wenn der Sensor in einer gefährlichen und entflammbaren gasförmigen Umgebung arbeitet.
Vorzugsweise weist das Scheibenelement 57 einen Radius auf, der größer als der Radius der inneren zylindrischen Wand 49 und kleiner als der Radius der äußeren zylindrischen Wand 48 ist, so daß sich das gasdurchlässige Fenster vollständig über die Zentralkammer 46 erstreckt und teilweise über die Umfangskammer 45 erstreckt. Der übrige Abschnitt 58 der Oberseite 56 des Sensorgehäuses stellt eine reflektierende innere Oberfläche 59 bereit, welche die Umfangskammer 45 teilweise bedeckt, um die optischen Transmissionscharakteristiken der Umfangskammer zu verbessern.
Der Detektor 43 ist an der Basis 51 im Sensorgehäuses montiert und umfaßt vorzugsweise einen pyroelektrischen Doppelelementdetektor. Die Detektorelemente 43a, 43b sind vorzugsweise in einer beabstandeten Beziehung entlang einer horizontalen Achse H des Sensorgehäuses angeordnet, also einer diametralen Achse orthogonal zur Zentralachse, die durch die inneren und äußeren zylindrischen Wände 48, 49 definiert ist. Dieser axiale Abstand der Detektorelemente 43a, 43b stellt sicher, daß die Charakteristiken der optischen Wege, die zu jedem der Elemente führen, im wesentlichen ähnlich sind. Jedes Element 43a, 43b beinhaltet einen (nicht gezeigten) Filter, um die Transmission optischer Strahlung bei ausgewählten Frequenzen oder Frequenzberei chen zu erlauben. Diese Doppelelementkonfiguration ermöglicht, daß der Sensor mit einem Referenz- oder Kompensationsdetektor arbeitet, um die Genauigkeit der Messungen zu steigern, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist.
Elektrische Drähte 60 zu sowohl der Quelle 42 als auch dem Detektor 43 treten durch die Gehäusebasis 51 und durch eine Kapselungsschicht 61 hindurch, welche die Basis 51 in Position hält. Die Kapselungsschicht 61 dichtet außerdem das Gehäuse ab, so daß es außer dem Fenster 57 für die kontrollierte Diffusion gasdicht ist. Die Kapselung kann mit Hilfe einer Verschlußplatte 62 geschützt werden.
Das Gehäuse von Sensor 41 kann derart hergestellt sein, daß es im Hinblick auf äußere Abmessungen und Positionierung mehrerer elektrischer Drähte 60, von denen nicht alle in der Zeichnung gezeigt sind, einer Konfiguration nach Industriestandard entspricht. Vorzugsweise ist der Gesamt-Gehäuseaußendurchmesser näherungsweise gleich 2 cm und ist die Gehäusehöhe näherungsweise gleich 2 cm. Vorzugsweise weisen das Diffusionsfenster 57 und die Kapselungsschicht 61 jeweils eine Dicke auf, die geeignet ist, jedweden anwendbaren Sicherheitsanforderungen oder -vorschriften zu genügen. In mehr zu bevorzugender Weise ist der Gesamt-Gehäuseaußendurchmesser gleich 20 mm ± 0,15 mm und ist die Gehäusehöhe gleich 16,6 mm ± 0,15 mm (ohne vorstehende Drähte), wie in 4 gezeigt, um so Rückwärtskompatibilität mit Sensorgehäusearten nach Stand der Technik bereitzustellen.
Ein besonderes Merkmal des Sensors 41 ist, daß der Detektor 43 mit seinen Detektorelementen 43a, 43b auf der horizontalen Achse H und vorzugsweise aufwärts gerichtet montiert ist. Ein geneigter Reflektor 75 ist bereitgestellt, wobei seine reflektierende Oberfläche unter einem schiefen Winkel zur horizontalen Achse H steht und dem Spalt 52 zugewandt ist, so daß Licht vom umlaufenden Weg 44a und vom Deflektor 53 entlang einem mindestens teilweise axialen optischen Weg 44c abwärts auf die Detektorelemente 43a, 43b gerichtet ist. Vorzugsweise präsentiert der geneigte Reflektor seine reflektierende Oberfläche unter einem Winkel von 45 Grad zur horizontalen Achse H.
Während des Gebrauchs der bevorzugten Ausführungsform strahlt die Glühquelle 42 Infrarotstrahlung über ein breites Spektrum von Frequenzen ab. Die reflektierenden Oberflächen, die durch die inneren und äußeren zylindrischen Wände 48, 49 und die radiale Endwand 50 gebildet werden, leiten die Infrarotstrahlung um die Umfangskammer 45 herum. Die nichtbündelnde Natur der Reflektoroberflächen bedeutet, daß das Positionieren der Quelle 42 innerhalb der Umfangskammer 45 nicht kritisch ist. Sobald die Strahlung das andere Ende der Umfangskammer 45 über den optischen Weg 44a erreicht, wird die Strahlung von der reflektierenden Oberfläche 54 von Deflektor 53 fort auf einen primär radial einwärts (und möglicherweise leicht axial aufwärts) gerichteten optischen Weg 44b auf den geneigten Reflektors 75 zu reflektiert. Vom geneigten Reflektor 75 wird die Strahlung auf einem axial abwärts gerichteten optischen Weg 44c auf die Detektorelemente 43a, 43b zu reflektiert. Abhängig von der genauen Konfiguration kann der optische Weg 44c auch eine radial einwärts gerichtete Komponente enthalten.
Die bevorzugte ebene Geometrie der reflektierenden Oberfläche 54 und des Reflektors 75 ist derart, daß der Strahlungseinfall auf die Detektorelemente 43a, 43b vornehmlich normal zu den Oberflächen der Elemente ist, was optimale Temperaturcharakteristiken für den Sensor 41 bereitstellt und sicherstellt, daß eine im wesentlichen gleiche Strahlungsmenge auf beide Elemente 43a, 43b fällt. Dies stellt bessere Anpassungsbedingungen zwischen den beiden Detektorelementausgaben bereit.
Der umlaufende optische Weg 44a nutzt außerdem den Platz innerhalb des Sensorgehäuses in hocheffizienter Art und Weise aus und erlaubt, daß die Kammerwände 48, 49 aus zylindrischen Elementen gebildet sind, die einfach herzustellen und auch leicht zusammenzubauen sind. Die Vervollständigung des optischen Wegs 44 mit dem radialen Abschnitt 44b und dem axialen Abschnitt 44c ermöglicht, daß der Detektor zentral und mit seinen elektrischen Kontaktstiften direkt in eine Leiterplatte 76 gerichtet montiert wird, wobei seine größere Abmessung flach auf der Leiterplatte liegt. Die Anordnung erleichtert auch die einfache Positionierung des Detektors innerhalb der Zentralkammer 46.
Wie oben angegeben, gibt die Gestaltung der optischen Komponenten einen erheblichen Anteil des Sensorgehäuses für Signalverarbeitungselektronik frei. Unter der Kammerbasis 47 und innerhalb der Kapselung 61 versiegelt befindet sich die Leiterplatte 76, die verschiedene Elektronikkomponenten 77 enthält.
Unter Bezug auf 8 enthalten in einer bevorzugten Ausführungsform diese Elektronikkomponenten 77 eine Ansteuerschaltung 100 für die optische Quelle 42. Der Detektor 43 stellt zwei elektrische Ausgaben 101, 102 bereit, die jeweils dem ersten Detektorelement 43a und dem zweiten Detektorelement 43b entsprechen. Das erste Detektorelement stellt auf Leitung 101 ein erstes Ausgangssignal bereit, das den Absorptionsspektren des ausgewählten Gases zur Detektion zugeordnet ist, z.B. Kohlenmonoxid. Das zweite Detektorelement stellt auf Leitung 102 ein zweites Ausgangssignal bereit, das einer breiteren Bandbreite von Frequenzen oder vorzugsweise einer ausgewählten Bandbreite zugeordnet ist, die von jener des ersten Filters verschieden und gegenüber unerwünschter Dämpfung durch andere übliche Gase relativ immun ist, um ein Referenzsignal bereitzustellen. Das Referenzsignal wird verwendet, um Kompensation der durch den ersten Sensor gemessenen Dämp fung bereitzustellen, die durch Temperatur, Feuchtigkeit, Verschlechterung der Quellenintensität und sonstige Abdunklungsfaktoren statt durch das Vorhandensein des ausgewählten Gases im optischen Weg 44 entsteht. Das Verhältnis des Referenzsignals und des Signals des ausgewählten Gases wird daher durch diese sonstigen Faktoren im wesentlichen unbeeinflußt sein.
Die zwei Ausgangssignalleitungen 101, 102 sind mit einer Vorverstärkungsschaltung 103 verbunden, deren Ausgang mit einem Analog-Digital-Wandler 104 (nachstehend „AD-Wandler") verbunden ist. Die digitalisierte Ausgabe des AD-Wandlers 104 wird an einen Mikroprozessor 105 geliefert. Der Mikroprozessor 105 ist mit einem Speichermodul 106 versehen, das zur Programmspeicherung und zum Speichern von Nachschlagetabellen 107 (nachstehend „NSTs") verwendet wird, die zum Berechnen eines Gaskonzentrationswertes aus den Eingaben in den Mikroprozessor benötigt werden. Der Mikroprozessor 105 ist außerdem vorzugsweise mit einer externen Programmierschnittstelle 108 versehen, die mit Hilfe von Programmierkontakten 78 implementiert sein kann, wie in 4 gezeigt. Der Mikroprozessor enthält außerdem einen Ausgabeweg oder eine Ansteuerung 109, die mit den elektrischen Drähten 60 gekoppelt ist. Dort, wo eine analoge Ausgabe benötigt wird (z.B. eine Spannung, die eine Funktion der Gaskonzentration ist), enthält die Ausgabeansteuerung 109 einen Digital-Analog-Wandler (nachstehend „DA-Wandler") zum Umwandeln der digitalen Ausgabe des Mikroprozessors 105 in eine proportionale analoge Spannung. Dort, wo eine digitale Ausgabe benötigt wird, kann die Ausgabeansteuerung 109 einfach einen elektrischen Bus umfassen.
Zum Sicherstellen einer vollständig kompensierten Gaskonzentrationsausgabe ist der Gassensor 41 vorzugsweise außerdem mit einem oder mehreren von geeigneten Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitssensoren 110 versehen, so daß jedwede erforderlichen Korrekturen an den Meßwerten des Detektors 43 vorgenommen werden können. Bei Sensoren, die eine analoge Ausgabe bereitstellen, stellen der AD-Wandler 104 oder ein weiterer AD-Wandler dem Mikroprozessor 105 digitalisierte Meßwerte bereit.
In einer bevorzugten Anordnung verwendet der Mikroprozessor 105 die NSTs, um Korrekturen für Temperatur, Druck und/oder Feuchtigkeit gemäß der Genauigkeit und der Anwendung, die durch den bestimmten Gassensor benötigt werden, zu bestimmen. Alternativ können diese Korrekturen durch Berechnung gemäß zweckentsprechender Formeln vorgenommen werden, die z.B. im Mikroprozessorspeicher 106 gespeichert sind. In einer alternativen Konfiguration könnten analoge Ausgaben von den Temperatur-, Druck- und/oder Feuchtigkeitssensoren direkt verwendet werden, um die Detektorausgabesignale im Analogbereich zu kompensieren.
Die verschiedenen Komponenten, die in Verbindung mit 8 beschrieben sind, sind vorzugsweise mit Hilfe der externen elektrischen Drähte 60 mit einer gemeinsamen Stromversorgung (z.B. 5 VDC) verbunden. Die Ausgabeansteuerung 109 ist in ähnlicher Weise mit den externen elektrischen Drähten 60 verbunden.
Alle obigen Komponenten sind vorzugsweise innerhalb des Gehäuses des Sensors 41 bereitgestellt, um in einem vollständig integrierten Gassensor zu resultieren, der eine direkte, kompensierte Gaskonzentrationsausgabe bereitstellt, die keiner weiteren Signalverarbeitung bedarf. Vorzugsweise ist die kompensierte Ausgabe temperaturkompensiert. Vorzugsweise ist die kompensierte Ausgabe druckkompensiert. Vorzugsweise ist die kompensierte Ausgabe feuchtigkeitskompensiert.
Vorzugsweise ist der Mikroprozessor 105 außerdem konfiguriert, um die Sensorausgabe derart zu kalibrieren, daß die Sensorausgabe innerhalb vorgegebener maximaler und minima ler Endwerte liegt. Dies wird hierin als „Normalisierung" der Ausgabe bezeichnet. Derartige Normalisierung kann nützlich sein, um eine allmähliche, im Laufe der Zeit erfolgende Verschlechterung in der Leistung der optischen Quelle auszugleichen.
Vorzugsweise ist der Mikroprozessor 105 außerdem konfiguriert, um die Steigung der Gaskonzentration über die Spannungsausgabe zu bestimmen, um sicherzustellen, daß der Gassensor 41 eine gewünschte Ausgabecharakteristik aufweist. Dies wird hierin als die „Übertragungscharakteristik" bezeichnet. Dies ist besonders dort nützlich, wo es gewünscht wird, die Gassensoren als Austauscheinheiten für andere, vorhandene Typen von Gassensoren zu verwenden.
Beispielsweise weisen Gassensoren des Pellistor-Typs besondere Ausgabecharakteristiken auf, und es kann nützlich sein, den optischen Gassensor 41 derart zu konfigurieren, daß sich die Ausgabecharakteristik exakt gleich der einer Pellistor-Ausgabe verhält.
In einer bevorzugten Anordnung können die Programmierkontakte 78 verwendet werden, um die Ausgabecharakteristiken des Sensors 41 zu konfigurieren. Beispielsweise kann derselbe optische Sensor 41 in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen als direkter Ersatz für unterschiedliche Typen von Gassensoren (z.B. nichtoptische) verwendet werden, indem zuerst die Charakteristiken des Sensors 41 unter Verwendung der Programmierkontakte 60 umgeschaltet werden. Dieser Konfigurationsvorgang kann das Heraufladen vorgegebener NSTs 107 oder das Auswählen einer installierten NST zur Verwendung umfassen. Der Konfigurationsvorgang kann ein einmaliges Ereignis zum Zeitpunkt der Herstellung sein oder kann als eine Benutzerfunktion bereitgestellt sein, die einmal bei der Installation oder mehrmals während des Betriebs des Sensors angewendet wird.
Der Konfigurationsvorgang muß nicht auf das Programmieren von NSTs beschränkt sein. Beispielsweise können Variablen zur Verwendung in Formeln geändert werden, die zum Berechnen der Gaskonzentration verwendet werden, und Programme oder Unterprogramme können aktualisiert werden.
In Benutzung stellt das gasdurchlässige Fenster 57 sicher, daß jedwede Änderungen in der Gaskonzentration außerhalb des Sensorgehäuses rasch an den optischen Weg 44 besonders in der Umfangskammer 45 übermittelt werden, um durch die Detektorelemente 43a, 43b erfaßt zu werden, wodurch eine gute Echtzeit-Ausgabe der erfaßten Gaszustände bereitgestellt wird. Die bevorzugte Konstruktion des gasdurchlässigen Fensters 57, wie gezeigt, stellt sicher, daß natürliche Diffusion von Gas in die Umfangskammer 45 ausreichend ist, so daß kein Pumpen von Gas durch die Kammer erforderlich ist. Darüber hinaus stellt das Anordnen von Temperatur-, Druck- und/oder Feuchtigkeitssensoren innerhalb des Gehäuses sehr nahe am optischen Kammergehäuse oder innerhalb desselben sicher, daß Änderungen in den Umgebungsbedingungen rasch an die Sensorausgabe übermittelt werden.
Eine Anzahl von Veränderungen an den oben beschriebenen Ausführungsformen ist möglich.
Beispielsweise versteht es sich, obgleich die bevorzugte Ausführungsform die Quelle 42 am geschlossenen Ende der Umfangskammer 45 befindlich und den Detektor 43 an der Zentralkammer 46 befindlich bereitstellt, daß diese Positionen umgekehrt sein können.
Die dargestellte Ausführungsform zeigt einen Gassensor 41, der einen optischen Weg aufweist, der den umlaufenden Abschnitt 44a, den radialen Abschnitt 44b und einen axial abwärts gerichteten Abschnitt 44c enthält. Jedoch versteht es sich, daß der Detektor umgedreht und der Oberseite 56 des Sensors benachbart positioniert sein könnte, in welchem Fall ein axial aufwärts gerichteter Abschnitt des optischen Wegs erforderlich wäre. Diese Anordnung wäre weniger bevorzugt, da das Koppeln des Detektors 43 mit den zugeordneten Elektronikkomponenten 77 komplizierter wäre und mindestens ein Teil des gasdurchlässigen Fensters 57 verdeckt werden könnte.
Die Umfangskammer 45 braucht nicht exakt kreisförmig zu sein, um einen im wesentlichen kreisförmigen Abschnitt des optischen Wegs bereitzustellen. Beispielsweise könnte eine polygonale Baugruppe, z.B. eine sechseckige, eine Umfangskammer enthalten, die sich um die Seiten des Sechsecks herum erstreckt. Die Umfangskammer kann auch von spiraliger Konfiguration sein, in der sich die Kammer nach einem vollständigen Umlauf der Peripherie der Kammer selbst überlappt.
In allen oben beschriebenen Ausführungsformen können einige oder alle reflektierenden Oberflächen goldbeschichtet (oder mit anderem geeigneten reflektierenden Material beschichtet), um die Signalamplitude zu erhöhen, und/oder mit einer Passivierungsschicht beschichtet sein, um Schutz gegen korrosive Gase bereitzustellen.
Das gasdurchlässige Fenster 57 könnte auch aus anderen Materialien gebildet sein, wie z.B. einem feinen Drahtsieb. Das gasdurchlässige Fenster 57 braucht nicht scheibenförmig zu sein, sondern könnte eine Reihe diskreter Öffnungen in der Oberseite des Gehäuses umfassen oder von ringförmiger Gestalt sein.
Der Detektor 43 braucht nicht vom Doppelelementtyp zu sein, falls kein Referenzdetektor benötigt wird. Es können mehrere Detektorelemente jeweils mit einem zweckentsprechenden Filter zur gleichzeitigen Detektion mehr als eines ausgewählten Gases bereitgestellt sein.
Andere Ausführungsformen liegen beabsichtigterweise innerhalb des Umfangs der beiliegenden Ansprüche.

Claims

Gassensor (41), umfassend: eine optische Quelle (42) zum Emittieren von Strahlung von dort; einen Detektor (43), der gegenüber von der Quelle (42) emittierter Strahlung empfindlich ist; einen optischen Weg (44), der sich zwischen der Quelle und dem Detektor erstreckt; eine Umfangskammer (45), definiert durch eine Kammerbasis (47), eine innere Oberfläche einer äußeren Umfangswand (48) des Sensorgehäuses und eine äußere Oberfläche einer inneren Umfangswand (49) und eine radiale Endwand (50); eine Zentralkammer (46), definiert durch eine innere Oberfläche der Gehäusebasis (51) und eine innere Oberfläche der inneren Umfangswand (49), wobei die Umfangs- und die Zentralkammer optisch reflektierende Oberflächen aufweisen, die zusammen einen kreisförmigen Abschnitt (44a) des optischen Wegs, einen radialen Abschnitt (44b) des optischen Wegs und einen axialen Abschnitt (44c) des optischen Wegs definieren; mindestens einen ersten Reflektor (53), unter einem schiefen Winkel zum kreisförmigen Abschnitt orien tiert, um den kreisförmigen Abschnitt und den radialen Abschnitt zu trennen, und mindestens einen zweiten Reflektor (75), unter einem schiefen Winkel zur Ebene des kreisförmigen Abschnitts des optischen Wegs orientiert, um den radialen Abschnitt von dem axialen Abschnitt zu trennen.
Gassensor nach Anspruch 1, bei dem die Umfangskammer (45) durch eine äußere (48) und innere (49) Umfangswand eines im wesentlichen zylindrischen Gehäuses definiert wird, wobei der kreisförmige Abschnitt (44a) des optischen Wegs (44) zwischen der äußeren und der inneren Umfangswand liegt und der radiale (44b) und der axiale (44c) Abschnitt des optischen Wegs innerhalb der inneren Umfangswand liegt.
Gassensor nach Anspruch 2, bei dem der erste Reflektor (53) eine Endwand umfaßt, die sich allgemein radial zwischen der äußeren (48) und inneren (49) Umfangswand und unter einem schiefen Winkel zu einer Tangente der äußeren oder inneren Umfangswand erstreckt, um Licht durch einen Spalt (52) in der inneren Umfangswand in eine Zentralkammer (46) und zu dem im wesentlichen radialen Abschnitt (44b) des optischen Wegs (44) zu reflektieren.
Gassensor (41) nach Anspruch 2 oder 3, bei dem sich die Quelle (42) an einem Ende des kreisförmigen Abschnitts (44a) des optischen Wegs (44) distal vom ersten Reflektor (53) befindet.
Gassensor (41) nach Anspruch 4, bei dem sich der Detektor (43) innerhalb der Zentralkammer (46) befindet, wobei seine Detektionsoberfläche im wesentliche orthogonal zum axialen Abschnitt (44c) des optischen Wegs (44) verläuft.
Gassensor (41) nach Anspruch 2, weiterhin umfassend eine Kammerabdeckung (56), einen Verschluß für das zylindrische Gehäuse bildend, wobei die Kammerabdeckung eine reflektierende innere Oberfläche (59) in Kombination mit einem gasdurchlässigen Glied (57) enthält.
Gassensor (41) nach Anspruch 6, bei dem das gasdurchlässige Glied (57) ein flammsperrendes Material umfaßt.
Gassensor (41) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das gasdurchlässige Glied (57) einen ringförmigen Abschnitt der Umfangskammer (45) bedeckt.
Gassensor (41) nach Anspruch 8, bei dem das gasdurchlässige Glied (57) eine Scheibe mit einem Radius größer als die innere Umfangswand (49) und kleiner als die äußere Umfangswand (48) umfaßt.
Gassensor (41) nach Anspruch 5, bei dem die Detektionsoberfläche zwei Detektorelemente (43a, 43b) umfaßt, entlang einer Achse im Wesentlichen diametral zu den Umfangswänden (48, 49) und orthogonal zur Achse der inneren (48) und äußeren (49) Umfangswand beabstandet.
Gassensor (41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend innerhalb eines einzelnen Gehäuses und weiterhin Elektronikkomponenten (77) darin enthaltend zum Verarbeiten von Signalen von dem Detektor (43) zum Erzeugen einer vorgegebenen Ausgabecharakteristik.
Gassensor (41) nach Anspruch 11, bei dem die Elektronikkomponenten (77) Mittel (103-107, 109, 110) enthalten zum Erzeugen einer kompensierten Ausgabe von dem Sensor als Funktion einer Gaskonzentration.
Gassensor (41) nach Anspruch 12, bei dem die kompensierte Ausgabe eine beliebige oder mehrere von temperaturkompensiert, druckkompensiert und feuchtigkeitskompensiert ist.
Gassensor (41) nach Anspruch 11, 12 oder 13, bei dem die Elektronikkomponenten (77) Mittel (103-107, 109, 110) enthalten zum Erzeugen einer normalisierten Ausgabe von dem Sensor (43) als Funktion einer Gaskonzentration.
Gassensor (41) nach Anspruch 14, bei dem die normalisierte Ausgabe vorbestimmte größte und kleinste Endpunkte aufweist.
Gassensor (41) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, einschließlich einer Programmierschnittstelle (108) zum externen Voreinstellen der Ausgabecharakteristiken des Sensors.
Gassensor (41) nach Anspruch 11, weiterhin enthaltend eine Elektronikschaltungsanordnung (77), ausgelegt zum Aufbereiten der elektrischen Ausgabe des Detektors, damit sie eine lineare Funktion mindestens einer ausgewählten Gaskonzentration ist.
Gassensor (41) nach Anspruch 11 oder 17, weiterhin enthaltend einen Temperatursensor (110) und Mittel (104-107, 109) zum Kompensieren der Detektorausgabe gemäß der vorherrschenden Temperatur.
Gassensor (41) nach Anspruch 11 oder 17, weiterhin enthaltend einen Feuchtigkeitssensor (110) und Mittel (104-107, 109) zum Kompensieren der Detektorausgabe gemäß der vorherrschenden Feuchtigkeit.
Gassensor (41) nach Anspruch 11 oder 17, weiterhin enthaltend einen Drucksensor (110) und Mittel (104-107, 109) zum Kompensieren der Detektorausgabe gemäß des vorherrschenden Drucks.
Gassensor (41) nach Anspruch 11 oder 17, weiter enthaltend eine Normalisierungsschaltung (105) zum Kompensieren der Detektorausgabe, damit sie innerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt.
Gassensor (41) nach einem der Ansprüche 11 und 17 bis 21, weiter enthaltend einen Mikroprozessor (105) zum Aufbereiten der Ausgabe des Detektors.
Gassensor (41) nach Anspruch 22, weiter enthaltend eine Nachschlagetabelle (107) zum Anwenden von Kompensationswerten auf die Sensorausgabe.
Gassensor (41) nach Anspruch 22 oder 23, weiter enthaltend eine Programmierschnittstelle (108) zum Auswählen einer von mehreren möglichen Ausgabecharakteristiken des Sensors.
Gassensor (41) nach Anspruch 24, bei dem mit der Programmierschnittstelle (108) mehrere Datenwerte hochgeladen werden können zum Bestimmen der Ausgabecharakteristiken des Sensors.
Gassensor (41) nach einem der Ansprüche 11 und 17 bis 25, bei dem der Sensor dafür ausgelegt ist, die Ausgabecharakteristik eines Gassensors vom Pellistor-Typ zu emulieren.
Integrierter Gassensor (41), umfassend innerhalb eines einzelnen Gehäuses: den Gassensor nach Anspruch 1 und eine Elektronikschaltungsanordnung (77) zum Aufbereiten der elektrischen Ausgabe des Detektors zum Bereitstellen eines Sensorausgangssignals, das mathematisch verarbeitet worden ist, um mindestens eines von Temperatur, Druck, Feuchtigkeit und Bereichsnormalisierung zu berücksichtigen, und das direkt proportional ist zu mindestens einer ausgewählten Gaskonzentration.
Gassensor oder integrierter Gassensor (41) nach einem der Ansprüche 11 bis 27, bei dem die Gehäuseabmessungen einen Gesamtaußengehäusedurchmesser von etwa 2 cm und eine Gehäusehöhe von etwa 2 cm enthalten.
Gassensor oder integrierter Gassensor (41) nach einem der Ansprüche 11 bis 28, bei dem die Gehäuseabmessungen einen Gesamtaußengehäusedurchmesser von 20 mm ± 0,15 mm und eine Gehäusehöhe von 16,6 mm ± 0,15 mm enthalten.