EP1792164A1 - Reflector module for a photometric gas sensor - Google Patents

Reflector module for a photometric gas sensor

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Publication number
EP1792164A1
EP1792164A1 EP05767949A EP05767949A EP1792164A1 EP 1792164 A1 EP1792164 A1 EP 1792164A1 EP 05767949 A EP05767949 A EP 05767949A EP 05767949 A EP05767949 A EP 05767949A EP 1792164 A1 EP1792164 A1 EP 1792164A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reflector
gas sensor
infrared
sensor according
photometric
Prior art date
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Ceased
Application number
EP05767949A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Arndt
Gerd Lorenz
Johann Wehrmann
Ronny Ludwig
Hans Lubik
Thomas Sperlich
Vincent Thominet
Maximilian Sauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1792164A1 publication Critical patent/EP1792164A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/0303—Optical path conditioning in cuvettes, e.g. windows; adapted optical elements or systems; path modifying or adjustment

Definitions

  • Reflector module for a photometric gas sensor
  • the invention relates to a photometric gas sensor for determining a
  • Radiometry Sensors based on spectroscopy (photometry).
  • radiation from one or more radiation sources in particular in the infrared wavelength range
  • a detector element which converts the incoming radiation intensity into electrical voltage and current.
  • the radiation emitted by the source must Radiation as directly as possible and bundled to be guided to the detector element. This can be achieved either by the fact that the radiation source and the detector element are directly opposite ("face-to-face arrangement") or by the use of reflector modules, which redirect the radiation and additionally bundle.
  • a device for the detection of radiation signals and a device for measuring the concentration of a substance is known.
  • a first detector and a second detector are provided on a first chip and a provided first filter and a second filter on a second chip, wherein the first chip and the second chip are hermetically sealed together.
  • the invention relates to a photometric gas sensor for determining a
  • Gas concentration or the concentration value of a gas or a gas concentration descriptive size comprising an infrared radiation source, a first reflector for deflecting a coming from an infrared radiation source infrared radiation to a second reflector, a second reflector for deflecting the radiation coming from the first reflector to one Infrared detector and an infrared detector.
  • Part of a housing component made of plastic.
  • the use of plastic components allows a cost-effective design.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the first and second reflector are formed as mirrored surfaces of the plastic.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the infrared radiation source and the infrared detector are mounted on a common circuit board.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the housing component is the cover of the sensor.
  • the integration of the reflectors in the cover a particularly compact design is achieved.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the cover has at least one füröffiiitch, through which the gas can flow into the interior of the gas sensor.
  • Reflector and the second reflector are arranged such that the beam direction of the deflected from the first reflector to the second reflector infrared radiation is substantially parallel to the surface of the circuit board.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that two infrared detectors are present or an infrared detector with two sensor elements is present, that the second reflector consists of two partial reflectors, which divides the radiation coming from the first reflector into two partial beams going in different directions, that the two partial reflectors are arranged such that each of the two partial beams impinges on a different one of the two infrared detectors.
  • a second infrared detector a comparative measurement is possible.
  • the use of a second infrared detector also allows the measurement of the concentration of a second or other instead of a comparison measurement
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that in that in that the second reflector consists of two reflectors or partial reflectors arranged side by side and is arranged in such a way that the radiation coming from the first reflector impinges on the boundary between the two partial reflectors so that part of the radiation impinges on each of the two partial reflectors.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that mounted on the housing component receptacles for mounting the infrared source and the infrared detector. This allows a very precise arrangement of the components relative to each other.
  • the drawing consists of the figures 1 to S.
  • FIG. 1 shows a view from the outside onto a first embodiment of the reflector module.
  • Figure 2 shows a view into the interior of a first ⁇ usbowungsform of the reflector module.
  • FIG. 3 shows a view from the outside onto a second embodiment of the reflector module.
  • FIG. 4 shows a view into the interior of a second embodiment of the reflector module.
  • FIG. 5 shows a section with recordings for the radiation source and the detector.
  • the invention serves to optimally bundle the radiation power of a radiation source with the aid of one or more optical reflector modules and to guide it via the absorption path to the detector element. It will be two or three
  • This optical reflector module can be used for a photometric gas sensor.
  • FIGS. 1, 2, 3 and 4 show two embodiments of the reflector module.
  • the module is designed with respect to the beam path from the radiation source a to the radiation detector b such that the reflector Rl bundles the radiation received by the radiation source a and parallel to the bottom part 53 (on which the radiation source and the radiation receiver are mounted) to the reflector R3 directs and reflector R3 re-focuses the radiation and steers vertically down to the detector (s).
  • Fig. 1 and Fig. 2 show an embodiment as a deep-drawn metal construction
  • Fig. 3 and Fig. 4 show an embodiment of plastic.
  • FIGS. 1 to 4 This arrangement is shown in FIGS. 1 to 4. This is a closed reflector module, under which the radiation source a and the detector element b are located.
  • the reflector module includes the reflector Rl for focusing and deflection of the beam path of the
  • Radiation source the component R2, which represents a cover for the reflector module, and one or two partial reflectors R3a and R3b, which concentrate and deflect the radiation onto the detector element or the detector elements.
  • the reflector module is a single one
  • the reflector module can be constructed of an internally mirrored plastic or designed as a metal construction.
  • the metal construction may e.g. be produced by a deep drawing process. The supply of the gas to be analyzed in the
  • the component R2 is omitted.
  • the region of the plane-parallel beam guidance between the reflector part Rl and the reflector part R3 is open.
  • the design of the reflectors Rl and R3 remains unchanged in this arrangement. These can be designed as a coherent module or as individual reflectors.
  • the omission of the reflector part R2 creates an open system in which the gas to be measured can be detected directly in the ambient atmosphere.
  • the advantage of this design is the faster detection of the sample gas in the ambient atmosphere. This is made possible by the lack of a housing part, through which the sample gas must first diffuse.
  • Both the open-path and closed-path arrangements can use the same reflectors with the same spacing. Both arrangements are independent of the optical bandwidth of the detector element and the
  • Frequency range of the infrared radiation and can therefore be used universally for all photometric gas sensors of the present type.
  • Another decisive factor for the performance of an optical sensor system is the most accurate possible positioning of detector, reflector and radiation source relative to each other. Only in this way can it be ensured that the largest possible part of the radiation power is supplied to the detector and thus leads to a maximum signal yield. This means a minimization of the tolerance chain
  • Radiation source reflector module detector and can be achieved by constructive measures on the reflector.
  • recordings are provided in the reflector, which ensure the alignment of the lamp and the detector with respect to the reflector module or the housing component during assembly.
  • the manufacturing tolerances of the reflector are the only relevant in the assembly of the overall system. This has the following two advantages: the beam directed from the second reflector onto the sensor element can be bundled more strongly, since the position of the sensor relative to the reflector is fixed by the orientation of the sensor element or detector on the reflector. The resulting smaller focus spot results in a higher radiation density, which in the
  • Sensor element generates a higher electrical absolute signal
  • the mounting of the three components reflector module, detector and radiation source is substantially simplified by the exact positioning to each other, it is avoided that the focus spot of the infrared radiation, the sensor element eckeh not, or located next to the photosensitive part of the sensor element.
  • a possible assembly sequence of the three components reflector, detector and radiation source is described below: - Pressing the detector into a receptacle of the reflector.
  • the reflector-detector unit Equipping the reflector-detector unit.
  • SMD surface mounted device
  • the radiation source is introduced through an over-drilled hole in a guide of the reflector and then soldered in SMD technology.
  • the printed circuit board can first be equipped with the detector.
  • Alignment of the reflector and the lamp then takes place via the permanently integrated detector.
  • alignment of all three components is also possible via the radiation source as a reference.
  • the radiation source can be equipped from above. In both cases, however, the alignment of all three components must always be ensured by appropriate design measures on the reflector.
  • receptacles 51 and 52 for the lamp a and the detector element b are shown.
  • 51 is a guide for the lamp a (i.e., lamp guide)
  • 52 is a guide for the reflector b (i.e.
  • the second reflector may also include two adjacent subreflectors R3a and R3b.
  • the focal point of the incoming from the first reflector infrared beam falls on the boundary line between the partial reflectors R3a and R3b.
  • the halves of the focus point falling on R3a and R3b are deflected in two different directions.
  • the infrared detector b is designed as a two-channel detector, e.g. with a measuring channel and a reference channel.
  • One of the two partial beams impinges on the sensor element assigned to the measuring channel and the other partial beam impinges on the sensor element assigned to the reference channel.
  • the two sensor elements can be used as e.g. adjacent chips may be realized in a common housing or even side by side on a chip.
  • the gas sensor is suitable because of its small size for use in a motor vehicle, in particular for determining the carbon dioxide concentration in the air in

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Abstract

The invention relates to a photometric gas sensor, containing at least one infrared radiation source (a) and a first reflector (R1) for deflecting infrared radiation, originating from an infrared radiation source (a), to a second reflector (R3a, R3b), which deflects the radiation originating from the first reflector to an infrared detector (b).

Description

Reflektormodul für einen photometrischen GassensorReflector module for a photometric gas sensor
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft einen photometrischen Gassensor zur Ermittlung einerThe invention relates to a photometric gas sensor for determining a
Gaskonzentration.Gas concentration.
In der analytischen Gassensorik wird zwischen chemischen und physikalischen Sensoren unterschieden. Während die chemischen Gassensoren mit chemischen Indikatoren wie widerstandsveränderlichen Pasten aufgebaut sind, funktionieren die physikalischenIn analytical gas sensors, a distinction is made between chemical and physical sensors. While the chemical gas sensors are constructed with chemical indicators such as resistive pastes, the physical ones work
Sensoren auf der Grundlage der Spektroskopie (Photometrie). Dabei wird von einer oder mehreren Strahlungsquellen (insbesondere im Infrarotwellenlängenbereich) Strahlung über eine sogenannte Absorptionsstrecke zu einem Detektorelement geleitet, welches die ankommende Strahlungsintensität in elektrische Spannung und Strom umwandelt Um einen möglichst hohen Signalhub bei der ankommenden Strahlungsleistung zu erhalten, muss die von der Quelle abgegebene Strahlung möglichst direkt und gebündelt zum Detektorelement geleitet werden. Dies lässt sich entweder dadurch erreichen, dass sich die Strahlungsquelle und das Detektorelement direkt gegenüberstehen („face-to-face- Anordnung") oder durch den Einsatz von Reflektormodulen, welche die Strahlung umlenken und zusätzlich bündeln.Sensors based on spectroscopy (photometry). In this case, radiation from one or more radiation sources (in particular in the infrared wavelength range) is conducted via a so-called absorption path to a detector element which converts the incoming radiation intensity into electrical voltage and current. In order to obtain the highest possible signal swing for the incoming radiation power, the radiation emitted by the source must Radiation as directly as possible and bundled to be guided to the detector element. This can be achieved either by the fact that the radiation source and the detector element are directly opposite ("face-to-face arrangement") or by the use of reflector modules, which redirect the radiation and additionally bundle.
Aus der DE 10243 014 Al ist eine Vorrichtung zur Detektion von Strahlungssignalen und eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration eines Stoffes bekannt. Dabei sind ein erster Detektor und ein zweiter Detektor auf einem ersten Chip vorgesehen und ein erster Filter und ein zweiter Filter auf einem zweiten Chip vorgesehen, wobei der erste Chip und der zweite Chip hermetisch dicht miteinander verbunden sind.From DE 10243 014 Al a device for the detection of radiation signals and a device for measuring the concentration of a substance is known. In this case, a first detector and a second detector are provided on a first chip and a provided first filter and a second filter on a second chip, wherein the first chip and the second chip are hermetically sealed together.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Erfindung betrifft einen photometrischen Gassensor zur Ermittlung einerThe invention relates to a photometric gas sensor for determining a
Gaskonzentration bzw. des Konzentrationswertes eines Gases bzw. einer eine Gaskonzentration beschreibenden Größe, enthaltend eine infrarote Strahlungsquelle, einen ersten Reflektor zur Umlenkung einer von einer infraroten Strahlungsquelle herkommenden Infrarotstrahlung zu einem zweiten Reflektor, einen zweiten Reflektor zur Umlenkung der vom ersten Reflektor herkommenden Strahlung zu einem Infrarotdetektor sowie einen Infrarotdetektor.Gas concentration or the concentration value of a gas or a gas concentration descriptive size, comprising an infrared radiation source, a first reflector for deflecting a coming from an infrared radiation source infrared radiation to a second reflector, a second reflector for deflecting the radiation coming from the first reflector to one Infrared detector and an infrared detector.
Durch die Verwendung von Reflektoren ist eine besonders kompakte Bauweise desThrough the use of reflectors is a particularly compact design of the
Gassensors möglich.Gas sensor possible.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Reflektor im wesentlichen aus Kunststoff bestehen und in ein Gehäusebauelement ausAn advantageous embodiment of the invention is characterized in that the first and the second reflector consist essentially of plastic and in a housing component
Kunststoff eingebaut sind oderPlastic are installed or
Teil eines Gehäusebauelements aus Kunststoff sind. Der Einsatz von Kunststoffbauelementen ermöglicht einen kostengünstigen Aufbau.Part of a housing component made of plastic. The use of plastic components allows a cost-effective design.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Reflektor als verspiegelte Flächen des Kunststoffs ausgebildet sind.An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the first and second reflector are formed as mirrored surfaces of the plastic.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Reflektor im wesentlichen aus Metall bestehen und in ein Gehäusebauelement aus Metall eingebaut sind oderAn advantageous embodiment of the invention is characterized in that the first and the second reflector consist essentially of metal and are incorporated in a housing component made of metal or
Teil eines Gehäusebauelements aus Metall sind. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die infrarote Strahlungsquelle und der Infrarotdetektor auf einer gemeinsamen Leiterplatte angebracht sind.Part of a housing component made of metal. An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the infrared radiation source and the infrared detector are mounted on a common circuit board.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gehäusebauelement um die Abdeckung des Sensors handelt. Durch die Integration der Reflektoren in die Abdeckung wird eine besonders kompakte Bauweise erreicht.An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the housing component is the cover of the sensor. The integration of the reflectors in the cover a particularly compact design is achieved.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung wenigstens eine Durchlassöffiiungen aufweist, durch welche das Gas in den Innenraum des Gassensors strömen kann.An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the cover has at least one Durchlassöffiiungen, through which the gas can flow into the interior of the gas sensor.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der ersteAn advantageous embodiment of the invention is characterized in that the first
Reflektor und der zweite Reflektor derart angeordnet sind, dass die Strahlrichtung der vom ersten Reflektor zum zweiten Reflektor umgelenkten Infrarotstrahlung im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Leiterplatte ist.Reflector and the second reflector are arranged such that the beam direction of the deflected from the first reflector to the second reflector infrared radiation is substantially parallel to the surface of the circuit board.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei Infrarotdetektoren vorhanden sind bzw. ein Infrarotdetektor mit zwei Sensorelementen vorhanden ist, dass der zweite Reflektor aus zwei Teilreflektoren besteht, welche die vom ersten Reflektor herkommende Strahlung in zwei in verschiedene Richtungen gehende Teilstrahlen aufteilt, dass die beiden Teilreflektoren so angeordnet sind, dass jeder der beiden Teilstrahlen auf einen unterschiedlichen der beiden Infrarotdetektoren trifft. Durch die Verwendung eines zweiten Infrarotdetektors ist eine Vergleichsmessung möglich. Die Verwendung eines zweiten Infrarotdetektors ermöglicht anstelle einer Vergleichsmessung auch die Messung der Konzentration eines zweiten bzw. anderenAn advantageous embodiment of the invention is characterized in that two infrared detectors are present or an infrared detector with two sensor elements is present, that the second reflector consists of two partial reflectors, which divides the radiation coming from the first reflector into two partial beams going in different directions, that the two partial reflectors are arranged such that each of the two partial beams impinges on a different one of the two infrared detectors. By using a second infrared detector, a comparative measurement is possible. The use of a second infrared detector also allows the measurement of the concentration of a second or other instead of a comparison measurement
Gases.Gas.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Reflektor aus zwei nebeneinander angeordneten Reflektoren bzw. Teilreflektoren besteht und derart angeordnet ist, dass die vom ersten Reflektor herkommende Strahlung an der Grenze zwischen beiden Teilreflektoren auftrifft, so dass auf jeden der beiden Teilreflektoren ein Teil der Strahlung auftrifft.An advantageous embodiment of the invention is characterized in that in that the second reflector consists of two reflectors or partial reflectors arranged side by side and is arranged in such a way that the radiation coming from the first reflector impinges on the boundary between the two partial reflectors so that part of the radiation impinges on each of the two partial reflectors.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäusebauelement Aufnahmen zur Anbringung der Infrarotquelle und des Infrarotdetektors angebracht sind. Dies ermöglicht eine sehr präzise Anordnung der Bauelemente relativ zueinander.An advantageous embodiment of the invention is characterized in that mounted on the housing component receptacles for mounting the infrared source and the infrared detector. This allows a very precise arrangement of the components relative to each other.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Aufnahmen um Führungen handeltAn advantageous embodiment of the invention is characterized in that it is guides in the recordings
Zeichnungdrawing
Die Zeichnung besteht aus den Figuren 1 bis S.The drawing consists of the figures 1 to S.
Figur 1 zeigt eine Sicht von außen auf eine erste Λusführungsform des Reflektormoduls.FIG. 1 shows a view from the outside onto a first embodiment of the reflector module.
Figur 2 zeigt eine Sicht in den Innenraum einer ersten Λusfuhrungsform des Reflektormoduls.Figure 2 shows a view into the interior of a first Λusfuhrungsform of the reflector module.
Figur 3 zeigt eine Sicht von außen auf eine zweite Ausführungsform des Reflektormoduls.FIG. 3 shows a view from the outside onto a second embodiment of the reflector module.
Figur 4 zeigt eine Sicht in den Innenraum einer zweiten Ausführungsform des Reflektormoduls.FIG. 4 shows a view into the interior of a second embodiment of the reflector module.
Figur 5 zeigt einen Schnitt mit Aufnahmen für die Strahlungsquelle und den Detektor. AusführungsbeispieleFIG. 5 shows a section with recordings for the radiation source and the detector. embodiments
Die Erfindung dient dazu, die Strahlungsleistung einer Strahlungsquelle mit Hilfe eines oder mehrerer optischer Reflektormodule optimal zu bündeln und über die Absorptionsstrecke zum Detektorelement zu leiten. Dabei werden zwei oder dreiThe invention serves to optimally bundle the radiation power of a radiation source with the aid of one or more optical reflector modules and to guide it via the absorption path to the detector element. It will be two or three
Reflektoren verwendet. Diese Reflektoren können aus einem zusammenhängenden Modul oder aus einzelnen optischen Elementen bestehen. Dabei wird zwischen einem geschlossenen Reflektormodul und einem sogenannten „Open-Path-Modul" unterschieden. Bei der „Open-Path"-Anordnung entfällt das mittlere Reflektormodul und wird durch die dabei entstehende offene Strahlstrecke ersetzt.Reflectors used. These reflectors may consist of a contiguous module or of individual optical elements. A distinction is made between a closed reflector module and a so-called "open path module." In the "open path" arrangement, the middle reflector module is omitted and is replaced by the resulting open beam path.
Dieses optische Reflektormodul kann für einen photometrischen Gassensor eingesetzt werden. In den Figuren 1, 2, 3 und 4 sind zwei Ausführungsformen des Reflektormoduls dargestellt. Das Modul ist bzgl. des Strahlengangs von der Strahlungsquelle a an den Strahlungsdetektor b derart ausgestaltet, dass der Reflektor Rl die von der Strahlungsquelle a empfangene Strahlung bündelt und parallel zum Bodenteil 53 (auf welchem die Strahlungsquelle und der Strahlungsempfänger angebracht sind) zum Reflektor R3 lenkt und der Reflektor R3 die Strahlung nochmals bündelt und vertikal nach unten zu dem Detektor bzw. den Φetektoren lenkt.This optical reflector module can be used for a photometric gas sensor. FIGS. 1, 2, 3 and 4 show two embodiments of the reflector module. The module is designed with respect to the beam path from the radiation source a to the radiation detector b such that the reflector Rl bundles the radiation received by the radiation source a and parallel to the bottom part 53 (on which the radiation source and the radiation receiver are mounted) to the reflector R3 directs and reflector R3 re-focuses the radiation and steers vertically down to the detector (s).
Für den Reflektor sind in den Figuren zwei Λusführungsformen dargestellt:For the reflector, two embodiments are shown in the figures:
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine Ausführungsform als tiefgezogene Metallkonstruktion Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine Ausführungsform aus Kunststoff.Fig. 1 and Fig. 2 show an embodiment as a deep-drawn metal construction Fig. 3 and Fig. 4 show an embodiment of plastic.
Für jede dieser beiden Ausführungsformen ist eine Ausgestaltung als „Closed-Path-For each of these two embodiments, a design as "closed-path
Λnordnung" und „Open-Path- Anordnung" möglich."Order" and "Open Path Arrangement" possible.
Closed-Path- Anordnung: Diese Anordnung ist in den Figuren 1 bis 4 dargestellt. Dabei handelt es sich um ein geschlossenes Reflektormodul, unter welchem sich die Strahlungsquelle a und das Detektorelement b befinden. Das Reflektormodul beinhaltet den Reflektor Rl zur Bündelung und Umlenkung des Strahlengangs derClosed-path arrangement: This arrangement is shown in FIGS. 1 to 4. This is a closed reflector module, under which the radiation source a and the detector element b are located. The reflector module includes the reflector Rl for focusing and deflection of the beam path of the
Strahlungsquelle, die Komponente R2, welches eine Abdeckung für das Reflektormodul darstellt sowie einen oder zwei Teilreflektoren R3a und R3b, welche die Strahlung auf das Detektorelement bzw. die Detektorelemente bündeln und umlenken.Radiation source the component R2, which represents a cover for the reflector module, and one or two partial reflectors R3a and R3b, which concentrate and deflect the radiation onto the detector element or the detector elements.
Bei dieser Anordnung handelt es sich bei dem Reflektormodul um ein einzigesIn this arrangement, the reflector module is a single one
Bauelement, welches die Komponenten Rl, R2 und R3 beinhaltet.Component containing the components Rl, R2 and R3.
Das Reflektormodul kann dabei aus einem innenverspiegelten Kunststoff aufgebaut sein oder als Metallkonstruktion ausgeführt sein. Die Metallkonstruktion kann z.B. durch ein Tiefziehverfahren erzeugt werden. Die Zuführung des zu analysierenden Gases in denThe reflector module can be constructed of an internally mirrored plastic or designed as a metal construction. The metal construction may e.g. be produced by a deep drawing process. The supply of the gas to be analyzed in the
Innenraum des Reflektormoduls wird durch Schlitze c in der Komponente R2 ermöglicht.Interior of the reflector module is made possible by slots c in the component R2.
Die Komponente bzw. das Bauteil R2 kann z.B. auch als elektrische Abschirmung zur Sicherstellung günstiger EMV-Eigenschaften eingesetzt werden (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit)The component R2 may be e.g. can also be used as electrical shielding to ensure favorable EMC properties (EMC = electromagnetic compatibility)
Open-Path- Anordnung:Open path arrangement:
Bei der Open-Path-Anordnung entfällt die Komponente R2. Dadurch liegt der Bereich der planparallelen Strahlführung zwischen dem Reflektorteil Rl und dem Reflektorteil R3 Offen. Die Ausführung der Reflektoren Rl und R3 bleibt bei dieser Anordnung unverändert. Diese können als zusammenhängendes Modul oder als Einzelreflektoren ausgeführt sein. Durch das Wegfallen des Reflektorteils R2 entsteht ein offenes System, bei welchem das zu messende Gas direkt in der Umgebungsatmosphäre erfasst werden kann. Der Vorteil dieses Aufbaus liegt bei der schnelleren Erfassung des Messgases in der Umgebungsatmosphäre. Ermöglicht wird dies durch das Fehlen eine Gehäuseteils, durch welches das Messgas erst diffundieren muss.In the case of the open-path arrangement, the component R2 is omitted. As a result, the region of the plane-parallel beam guidance between the reflector part Rl and the reflector part R3 is open. The design of the reflectors Rl and R3 remains unchanged in this arrangement. These can be designed as a coherent module or as individual reflectors. The omission of the reflector part R2 creates an open system in which the gas to be measured can be detected directly in the ambient atmosphere. The advantage of this design is the faster detection of the sample gas in the ambient atmosphere. This is made possible by the lack of a housing part, through which the sample gas must first diffuse.
Sowohl für die Open-Path-Anordnung als auch für die Closed-Path-Λnordnung können dieselben Reflektoren mit denselben Abständen eingesetzt werden. Beide Anordnungen sind unabhängig von der optischen Bandbreite des Detektorelements und demBoth the open-path and closed-path arrangements can use the same reflectors with the same spacing. Both arrangements are independent of the optical bandwidth of the detector element and the
Frequenzbereich der infraroten Strahlung und können daher universell für alle photometrischen Gassensoren der vorliegenden Bauart eingesetzt werden. Weiter entscheidend für das Leistungsvermögen eines optischen Sensorsystems ist die möglichst exakte Positionierung von Detektor, Reflektor und Strahlungsquelle relativ zueinander. Nur so kann gewährleistet werden, dass ein möglichst großer Teil der Strahlungsleistung dem Detektor zugeführt wird und somit zu einer maximalen Signalausbeute führt. Dies bedeutet eine Minimierung der ToleranzketteFrequency range of the infrared radiation and can therefore be used universally for all photometric gas sensors of the present type. Another decisive factor for the performance of an optical sensor system is the most accurate possible positioning of detector, reflector and radiation source relative to each other. Only in this way can it be ensured that the largest possible part of the radiation power is supplied to the detector and thus leads to a maximum signal yield. This means a minimization of the tolerance chain
Strahlungsquelle-Reflektormodul-Detektor und kann durch konstruktive Maßnahmen am Reflektor erreicht werden. Hierfür werden im Reflektor Aufnahmen vorgesehen, welche bei der Montage die Ausrichtung der Lampe und des Detektors bzgl. des Reflektormoduls bzw. des Gehäusebauelements sichern. Somit sind die Fertigungstoleranzen des Reflektors die einzig maßgebenden bei der Montage des Gesamtsystems. Dies hat die folgenden beiden Vorteile: der vom zweiten Reflektor auf das Sensorelement gerichtete Strahl kann stärker gebündelt werden, da durch die Ausrichtung des Sensorelements bzw. Detektors auf den Reflektor die Position des Sensors relativ zum Reflektor feststeht. Der dadurch mögliche kleinere Fokusfleck resultiert in einer höheren Strahlungsdichte, welche imRadiation source reflector module detector and can be achieved by constructive measures on the reflector. For this purpose, recordings are provided in the reflector, which ensure the alignment of the lamp and the detector with respect to the reflector module or the housing component during assembly. Thus, the manufacturing tolerances of the reflector are the only relevant in the assembly of the overall system. This has the following two advantages: the beam directed from the second reflector onto the sensor element can be bundled more strongly, since the position of the sensor relative to the reflector is fixed by the orientation of the sensor element or detector on the reflector. The resulting smaller focus spot results in a higher radiation density, which in the
Sensorelement ein höheres elektrisches Absolutsignal erzeugt, die Montage der drei Bauelemente Reflektormodul, Detektor und Strahlungsquelle wird durch die exakte Positionierung zueinander wesentlich vereinfacht, es wird vermieden, dass der Fokusfleck der Infrarotstrahlung das Sensorelement nicht ecreicht, bzw. sich neben dem lichtempfindlichen Teil des Sensorelementsbefindet.Sensor element generates a higher electrical absolute signal, the mounting of the three components reflector module, detector and radiation source is substantially simplified by the exact positioning to each other, it is avoided that the focus spot of the infrared radiation, the sensor element eckeh not, or located next to the photosensitive part of the sensor element.
Bei der Montage der drei Bauelemente auf der Leiterplatte wird der Reflektor über entsprechende Aufnahmen auf der Leiterplatte fixiert. Die Positionierung der Strahlungsquelle und des Detektors auf der Leiterplatte erfolgt dann relativ zum Reflektor. Somit ist gewährleistet, dass alle Toleranzen, die bei getrennter Montage auftreten würden, minimiert werden.When mounting the three components on the circuit board of the reflector is fixed on the appropriate recordings on the circuit board. The positioning of the radiation source and the detector on the circuit board is then relative to the reflector. This ensures that all tolerances that would occur with separate mounting are minimized.
Ein möglicher Bestückungsablauf der drei Bauteile Reflektor, Detektor und Strahlungsquelle ist im folgenden beschrieben: - Einpressen des Detektors in eine Aufnahme des Reflektors.A possible assembly sequence of the three components reflector, detector and radiation source is described below: - Pressing the detector into a receptacle of the reflector.
Bestücken der Reflektor-Detektor-Einheit. Dabei wird der Reflektor z.B. geclincht und der Detektor in SMD-Technik gelötet (SMD = „surface mounted device") Reversebestücken der Strahlungsquelle. Dabei wird die Strahlungsquelle durch eine übertolertierte Bohrung in eine Führung des Reflektors eingebracht und anschließend in SMD-Technik gelötet.Equipping the reflector-detector unit. The reflector is clipped, for example, and the detector is soldered in SMD technology (SMD = "surface mounted device"). Reverse equipping the radiation source. The radiation source is introduced through an over-drilled hole in a guide of the reflector and then soldered in SMD technology.
Alternativ dazu kann zuerst die Leiterplatte mit dem Detektor bestückt werden. DieAlternatively, the printed circuit board can first be equipped with the detector. The
Ausrichtung des Reflektors und der Lampe erfolgt dann über den fest integrierten Detektor. Wie oben beschrieben ist eine Ausrichtung aller drei Bauteile natürlich auch über die Strahlungsquelle als Referenz möglich. In diesem Fall kann die Strahlungsquelle von oben bestückt werden. In beiden Fällen muss die Ausrichtung aller drei Bauteile jedoch immer über entsprechende konstruktive Maßnahmen am Reflektor gewährleistet sein.Alignment of the reflector and the lamp then takes place via the permanently integrated detector. Of course, as described above, alignment of all three components is also possible via the radiation source as a reference. In this case, the radiation source can be equipped from above. In both cases, however, the alignment of all three components must always be ensured by appropriate design measures on the reflector.
In Fig. 5 sind die Aufnahmen 51 und 52 für die Lampe a bzw. das Detektorelement b dargestellt. Dabei handelt es sich im Ausführungsbeispiel bei 51 um eine Führung für die Lampe a (d.h. Lampenführung) und bei 52 um eine Führung für den Reflektor b (d.h.In Fig. 5, the receptacles 51 and 52 for the lamp a and the detector element b are shown. In the embodiment, 51 is a guide for the lamp a (i.e., lamp guide) and 52 is a guide for the reflector b (i.e.
Reflektorführung). 53 kennzeichnet (auch in den Figuren 1 und 3) die Leiterplatte.Reflector guidance). 53 marks (also in Figures 1 and 3) the circuit board.
Der zweite Reflektor kann auch zwei benachbarte Teilreflektoren R3a und R3b umfassen. Der Fokuspunkt des vom ersten Reflektor ankommenden Infrarotstrahl fällt auf die Grenzlinie zwischen den Teilreflektoren R3a und R3b. Die auf R3a and R3b fallenden Hälften des Fokuspunktes werden in zwei unterschiedliche Richtungen abgelenkt Der Infrarotdetektor b ist als zweikanaliger Detektor ausgebildet, z.B. mit einem Messkanal und einem Referenzkanal. Einer der beiden Teilstrahlen trifft auf das dem Messkanal zugeordnete Sensorelement und der andere Teilstrahl auf das dem Referenzkanal zugeordnete Sensorelement. Die beiden Sensorelemente können dabei als z.B. benachbarte Chips in einem gemeinsamen Gehäuse oder sogar nebeneinander auf einem Chip verwirklicht sein.The second reflector may also include two adjacent subreflectors R3a and R3b. The focal point of the incoming from the first reflector infrared beam falls on the boundary line between the partial reflectors R3a and R3b. The halves of the focus point falling on R3a and R3b are deflected in two different directions. The infrared detector b is designed as a two-channel detector, e.g. with a measuring channel and a reference channel. One of the two partial beams impinges on the sensor element assigned to the measuring channel and the other partial beam impinges on the sensor element assigned to the reference channel. The two sensor elements can be used as e.g. adjacent chips may be realized in a common housing or even side by side on a chip.
Der Gassensor eignet sich wegen seiner geringen Baugröße zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, insbesondere zur Ermittlung der Kohlendioxidkonzentration in der Luft imThe gas sensor is suitable because of its small size for use in a motor vehicle, in particular for determining the carbon dioxide concentration in the air in
Innenraum des Kraftfahrzeugs. Interior of the motor vehicle.

Claims

Λnsprüche Λnsprüche
1. Photometrischer Gassensor zur Ermittlung einer Gaskonzentration, enthaltend wenigstens - eine infrarote Strahlungsquelle (a) einen ersten Reflektor (Rl) zur Umlenkung einer von einer infraroten1. Photometric gas sensor for determining a gas concentration, comprising at least - an infrared radiation source (a) a first reflector (Rl) for deflecting one of an infrared
Strahlungsquelle (a) herkommenden Infrarotstrahlung zu einem zweiten ReflektorRadiation source (a) incoming infrared radiation to a second reflector
(R3a, R3b), einen zweiten Reflektor (R3a, R3b) zur Umlenkung der vom ersten Reflektor (Rl) herkommenden Strahlung zu einem Infrarotdetektor (b) sowie einen Infrarotdetektor (b).(R3a, R3b), a second reflector (R3a, R3b) for deflecting the radiation coming from the first reflector (R1) to an infrared detector (b) and an infrared detector (b).
2. Photometrischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Reflektor (Rl) und der zweite Reflektor (R3a, R3b) - im wesentlichen aus Kunststoff bestehen und in eimGehäusebauelement aus2. Photometric gas sensor according to claim 1, characterized in that the first reflector (Rl) and the second reflector (R3a, R3b) - consist essentially of plastic and in eimGehäusebauelement from
Kunststoff eingebaut sind oder Teil eines Gehäusebauelements aus Kunststoff sind.Plastic are incorporated or part of a housing component made of plastic.
3. Photometrischer Gassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (Rl) und zweite Reflektor (R3a, R3b) als verspiegelte Flächen des Kunststoffs ausgebildet sind.3. Photometric gas sensor according to claim 2, characterized in that the first (Rl) and second reflector (R3a, R3b) are formed as mirrored surfaces of the plastic.
4. Photometrischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (Rl) und der zweite Reflektor (R3a, R3b) - im wesentlichen aus Metall bestehen und in ein Gehäusebauelement aus Metall eingebaut sind oder Teil eines Gehäusebauelements aus Metall sind. 4. Photometric gas sensor according to claim 1, characterized in that the first (Rl) and the second reflector (R3a, R3b) - consist essentially of metal and are incorporated in a housing component made of metal or part of a housing component made of metal.
5. Photometrischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die infrarote Strahlungsquelle (a) und der Infrarotdetektor (b) auf einer gemeinsamen Leiterplatte (53) angebracht sind.5. Photometric gas sensor according to claim 1, characterized in that the infrared radiation source (a) and the infrared detector (b) are mounted on a common printed circuit board (53).
6. Photometrischer Gassensor nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gehäusebauelemenl um die Abdeckung des Sensors handelt.6. Photometric gas sensor according to claim 2 or 4, characterized in that it is the Gehäusebauelemenl to the cover of the sensor.
7. Photometrischer Gassensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung wenigstens eine Durchlassöffhung (c) aufweist, durch welche das Gas in den Innenraum des Gassensors strömen kann.7. Photometric gas sensor according to claim 6, characterized in that the cover has at least one Durchlaßöffhung (c) through which the gas can flow into the interior of the gas sensor.
8. Photometrischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Reflektor (Rl) und der zweite Reflektor (R3a, R3b) derart angeordnet sind, dass die Strahlrichtung der vom ersten Reflektor (Rl) zum zweiten Reflektor (R3a, R3b) umgelenkten Infrarotstrahlung im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Leiterplatte8. Photometric gas sensor according to claim 1, characterized in that the first reflector (Rl) and the second reflector (R3a, R3b) are arranged such that the beam direction of the first reflector (Rl) to the second reflector (R3a, R3b) deflected Infrared radiation substantially parallel to the surface of the circuit board
(53) ist.(53).
9. Photometrischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotdetektor (b) zwei Infrarotsensorelemente umfasst, - dass der zweite Reflektor ausvzwei Teilreflektoren (RJa, R3b) besteht, welche die vom ersten Reflektor herkommende Strahlung in zwei in verschiedene Richtungen gehende Teilstrahlen aufteilt, dass die beiden Teilreflektoren so angeordnet sind, dass jeder der beiden Teilsttahlen auf ein unterschiedliches der beiden Infrarotsensorelemente trifft9. Photometric gas sensor according to claim 1, characterized in that the infrared detector (b) comprises two infrared sensor elements, - that the second reflector consists of two partial reflectors (RJa, R3b), which divides the radiation coming from the first reflector into two partial beams going in different directions in that the two partial reflectors are arranged such that each of the two partial reflectors meets a different one of the two infrared sensor elements
10. Photometrischer Gassensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Reflektor (R3a, R3b) aus zwei nebeneinander angeordneten Teilreflektoren besteht und derart angeordnet ist, dass die vom ersten Reflektor herkommende Strahlung an der Grenze zwischen beiden Teilreflektoren auftrifft, so dass auf jeden der beiden10. Photometric gas sensor according to claim 9, characterized in that the second reflector (R3a, R3b) consists of two juxtaposed partial reflectors and is arranged such that the radiation coming from the first reflector impinges on the boundary between the two partial reflectors, so that each of both
Teilreflektoren ein Teil der Strahlung auftrifft Partial reflectors a part of the radiation impinges
11. Photometrischer Gassensor nach einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäusebauelement Aufnahmen zur Anbringung der Infrarotquelle (a) und des Infrarotdetektors (b) angebracht sind.11. Photometric gas sensor according to one of claims 2 or 4, characterized in that the housing component receptacles for attaching the infrared source (a) and the infrared detector (b) are mounted.
12. Photometrischer Gassensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Aufnahmen um Führungen (51 , 52) handelt 12. Photometric gas sensor according to claim 10, characterized in that it is in the recordings to guides (51, 52)
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