NL1024364C2

NL1024364C2 - Gassensor.

Info

Publication number: NL1024364C2
Application number: NL1024364A
Authority: NL
Inventors: Willem Antonius Boekelman
Original assignee: Berli B V
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2005-03-29
Also published as: EP1664741A1; CA2537195A1; US20060290934A1; WO2005029048A1; US7564032B2; JP2007506966A

Description

* *

Gassensor

De uitvinding heeft betrekking op een gassensor voorzien van een lichtbron, een licht reflecterende kamer die ten minste een 5 lichtintreeopening omvat, welke gassensor verder is voorzien van een met de licht reflecterende kamer samenwerkende detector met behulp waarvan van de lichtbron afkomstig licht waarneembaar is.

Bij een dergelijke, uit het Amerikaanse octrooi schrift US-A-5.550.375 bekende gassensor is een lichtbron nagenoeg in de 10 lichtintreeopening van een licht reflecterende kamer gepositioneerd. Het van de lichtbron afkomstige licht wordt in de kamer door een spiegelend raster afgebogen en naar de detector geleid. Met behulp van de detector wordt het licht geanalyseerd en uit het geanalyseerde licht wordt ten minste de gasconcentratie van een gas dat in de kamer aanwezig is 15 bepaald. Gassen kunnen selectief worden gedetecteerd door gebruik te maken van bijvoorbeeld een infrarood spectrometer en de specifieke absorptie-eigenschappen in het infrarood spectraal gebied.

De stabiliteit en nauwkeurigheid van de gassensor worden beïnvloed door onder meer de mechanische stevigheid, thermische drift, 20 vochtigheidsveranderingen, vervuiling tussen de lichtbron en de detector, veroudering van de lichtbron en de detector, etc. Deze effecten beïnvloeden het met behulp van de detector waar te nemen licht en kunnen derhalve een afwijking bij het bepalen van de gasconcentratie van het te meten gas veroorzaken.

25 Met name variaties in de positie van de lichtbron ten opzichte van detector zullen bij de gassensor volgens het hierboven aangegeven Amerikaanse octrooi schrift US-A-5.550.375 tot een ongecorreleerde verandering in het met behulp van detector waar te nemen licht leiden hetgeen tot ongewenste afwijkingen in de daaruit te bepalen 30 gasconcentratie zal leiden.

De uitvinding beoogt een gassensor te verschaffen die 1024364

2 I

relatief ongevoelig is voor mechanische veranderingen. I

Dit doel wordt bij de gassensor volgens de uitvinding I

bereikt doordat de gassensor is voorzien van afbeeldende optiek met I

behulp waarvan de lichtbron op de lichtintreeopening van de licht I

5 reflecterende kamer afbeeldbaar is. I

Doordat de lichtbron op de lichtintreeopening van de kamer I

wordt afgebeeld, wordt een lichtweg tussen de lichtbron en de kamer I

gecreëerd waarin absorptie door het aldaar aanwezige gas zal I

plaatsvinden. Bovendien vindt ook in de kamer absorptie van het licht I

10 door het gas plaats. Doordat in de kamer het licht een aantal keren wordt I

gereflecteerd, wordt een relatief lange lichtweg tussen de lichtbron en I

de detector verkregen, waarbij het licht als het ware wordt I

gehomogeniseerd, waardoor de gassensor relatief ongevoelig is voor I

mechanische veranderingen. Bovendien kan op deze wijze een relatief grote I

15 lichtbron worden toegepast die met behulp van de afbeeldende optiek op I

een relatief kleine lichtintreeopening kan worden afgebeeld. Ook op deze I

wijze wordt de gevoeligheid voor mechanische veranderingen verminderd. I

Een uitvoeringsvorm van de gassensor volgens de uitvinding I

wordt gekenmerkt doordat dat tussen de lichtintreeopening en de detector I

20 het licht een aantal malen in de kamer reflecteerbaar is. I

Door het tussen de lichtintreeopening en de detector het I

licht een aantal malen te laten reflecteren, wordt de lichtweg vergroot I

waardoor de gevoeligheid voor mechanische verandering wordt verminderd. I

Een andere uitvoeringsvorm van de gassensor volgens de I

25 uitvinding wordt gekenmerkt doordat de kamer is voorzien van licht I

reflecterende wanden. I

Op deze wijze wordt het in de kamer aanwezige licht onder I

verschillende hoeken en op verschillende posities van de kamer I

gereflecteerd waardoor nagenoeg onafhankelijk van de positie van de op de I

30 lichtintreeopening afgebeelde lichtbron, de door de detector waargenomen I

lichtintensiteit gelijk blijft. I

1024364' I

• t 3

Nog andere uitvoeringsvorm van de gassensor volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat de gassensor is voorzien van ten minste twee lichtbronnen die elk met behulp van afbeeldende optiek op dezelfde lichtintreeopening afbeeldbaar zijn.

5 Op deze wijze is het mogelijk om een lichtbron als referentielichtbron te gebruiken terwijl de andere lichtbron bijvoorbeeld in samenwerking met een bijbehorend golflengte bepalend element geschikt is om een specifieke gascomponent te detecteren.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van 10 de tekening waarin: fig. 1 een schematisch aanzicht van een eerste uitvoeringsvorm van een gassensor volgens de uitvinding toont, fig. 2 een schematisch aanzicht van een tweede uitvoeringsvorm van een gassensor volgens de uitvinding toont, 15 fig. 3 een schematisch aanzicht van een derde uitvoeringsvorm van een gassensor volgens de uitvinding toont, fig. 4 een schematisch aanzicht van een vierde uitvoeringsvorm van een gassensor volgens de uitvinding toont.

In de figuren zijn overeenkomende onderdelen voorzien van 20 eenzelfde verwijzingscijfer.

Fig. 1 toont een eerste uitvoeringsvorm van een gassensor 1 volgens de uitvinding die is voorzien van een lichtbron 2 en een detector 3. Tussen de lichtbron 2 en de detector 3 is een lichtweg gelegen waarin zich een golflengte bepalend element in de vorm van een 25 infraroodfi 1 ter 4, een afbeeldoptiek in de vorm van een lens 5 en een licht reflecterende kamer 6 bevindt. De licht reflecterende kamer 6 is langwerpig en heeft aan een naar de lens 5 toegekeerde zijde een lichtintreeopening 7 en aan een naar detector 3 toegekeerde zijde een lichtuittreeopening 8. Met behulp van de lens 5 wordt lichtbron 2 30 verkleind en afgeheeld als lichtbron 2' in de lichtintreeopening 7. De kamer 6 omvat een aantal licht reflecterende wanden 9 die een holte 10 1024364

4 I

begrenzen waarin het van de lichtbron 2 afkomstige licht een aantal malen I

in wordt gereflecteerd alvorens het licht de kamer 6 via de I

lichtuittreeopening 8 verlaat en op een lichtgevoelig oppervlak 11 van de I

detector 11 terechtkomt. De lichtbron 2 zendt licht uit dat door het I

5 filter 4 wordt gefilterd zodat enkel infrarood licht met een bepaalde I

gewenste golflengte in de richting van de detector 3 verder wordt geleid, I

welke golflengte afhankelijk is van het te detecteren gas. Afhankelijk I

van de concentratie van het te detecteren gas dat aanwezig is in de I

ruimte waar de gassensor 1 zich bevindt, zal een bepaald deel van het I

10 infrarode licht worden geabsorbeerd. Het behulp van de detector 3 wordt I

op basis van de gemeten hoeveelheid infrarood licht de gasconcentratie I

van bijvoorbeeld C02 van het in de ruimte aanwezige gas bepaald. Dit is I

bijvoorbeeld van belang om de kwaliteit van het gas in een ruimte waarin I

personen zich bevinden zoals bijvoorbeeld een woonkamer, kantoor etc. te I

15 bepalen. Doordat de lichtweg tussen de lichtbron 2 en de detector 3 I

relatief lang is, wordt het licht relatief goed gehomogeniseerd, waardoor I

de lichtweg relatief ongevoelig is voor mechanische veranderingen. I

De kamer 6 is bij voorkeur kanaal vormig, waarbij de lengte I

bij voorkeur ten minste drie maal zo groot is als de dwarsdoorsnede om I

20 een goede menging van het licht in de kamer 6 te waarborgen. De doorsnede I

is bij voorkeur kleiner dan 5 mm. Bij voorkeur ligt de doorsnede in I

dezelfde orde als de afmeting van het lichtgevoelig oppervlak 11 van de I

detector 3. Bij commercieel beschikbare detectoren 3 is het I

lichtgevoelige oppervlak 11 enkele vierkante mm's groot. De wanden 9 van I

25 de kamer 6 zijn bij voorkeur van een goed reflecterend metaal zoals I

bijvoorbeeld goud voorzien waardoor een optimale reflectie wordt I

verkregen. De doorsnede van de kamer 6 is bij voorkeur rechthoekig of I

vierkant. In de lengterichting van de kamer 6 kan de kamer taps toelopen I

waarbij de dwarsdoorsnede nabij de intreeopening 7 en de uittreeopening 8 I

30 bij voorkeur tot een factor 5 kunnen verschillen. I

Fig. 2 toont een tweede uitvoeringsvorm van een I

1024364* I

• * 5 gassensor 21 volgens de uitvinding die is voorzien van twee lichtbronnen 22, 23, voor de lichtbronnen 22, 23 opgesteld filters 24, 25, voor deze filters 24, 25 opgesteld afbeeldoptiek in de vorm van gekromde spiegels 26, 27, een kamer 28 en een detector 29. De kamer 28 is voorzien van twee 5 licht intreeopeningen 30, 31 waarin met behulp van de spiegels 26, 27 de lichtbronnen 22, 23 als lichtbron 22', 23' worden afgebeeld. De kamer 28 omvat verder een centraal tussen de lichtintreeopeningen 30, 31 gelegen lichtuittreeopening 32 die tegenover een licht ontvangend oppervlak 33 van de detector 29 is gelegen.

10 De filters 24, 25 laten elk infrarood licht met een andere golflengte door. Voor het C02-filter 24 is dit een golflengte van 4,26 μπ\ en voor het referent!efilter 25 is dit een golflengte van bijvoorbeeld 4 //m.

Met behulp van de lichtbron 22 en het daarbij behorende 15 filter 24 wordt voor C0Z gevoelig licht doorgelaten dat vervolgens via de spiegel 26 naar de lichtintreeopening 30 wordt geleid waarna het licht in de door de kamer 28 begrensde holte een aantal malen wordt gereflecteerd alvorens het licht op het lichtgevoelig oppervlak 33 van de detector 29 terechtkomt. Met behulp van de detector 29 wordt de concentratie COz-gas 20 in het gas dat de gassensor 21 omringt bepaald. Met behulp van het filter 25 wordt een voor C02-gas ongevoelig licht doorgelaten welk licht vervolgens op eenzelfde wijze met behulp van de detector 29 wordt geanalyseerd. De lichtbron 23 dient als referentie voor het te verwachten, door de detector 29 te detecteren licht. Indien er een 25 wijziging optreedt in het licht dat van de lichtbron 23 afkomstig is en door detector 29 wordt gedetecteerd, is dat een aanwijzing dat er een verandering in de gassensor 21 is opgetreden zoals afname van de gevoeligheid van de detector, vervuiling van de sensor etc. Vervolgens kan met deze gemeten verandering rekening worden gehouden bij het bepalen 30 van de C02-concentratie met behulp van de lichtbron 22. Bij voorkeur worden de lichtbronnen 22, 23 afwisselend aan- en uitgezet zodat met 1024364

behulp van de detector 29 telkens het licht dat afkomstig is van een I

enkele lichtbron 22 respectievelijk 23 behoeft te worden geanalyseerd. I

Het is echter ook mogelijk om een detector toe te passen met behulp I

waarvan het mogelijk is om het van beide lichtbronnen 22, 23 afkomstig I

5 licht simultaan te meten en te analyseren. I

Fig. 3 toont een derde uitvoeringsvorm van een gassensor 31 I

volgens de uitvinding die zich onderscheidt van de in fig. 2 weergegeven I

gassensor 21 doordat beide lichtbronnen 22, 23 op eenzelfde I

lichtintreeopening 32 van een kamer 33 worden geprojecteerd. De kamer 33 I

10 is aan een van de lichtintreeopening 32 afgekeerde zijde voorzien van een I

1ichtuittreeopening 34 waartegenover een lichtgevoelig oppervlak 35 van I

een detector 36 is opgesteld. De gassensor 31 heeft ten opzichte van de I

gassensor 21 het voordeel dat slechts een enkel lichtintreeopening 32 I

behoeft te zijn voorzien waardoor de gassensor 31 compacter van opbouw I

15 is. Doordat in de kamer 28 meer reflecties zullen optreden dan in de I

kamer 33, kan de kamer 28 vanuit dat gezichtspunt relatief compact zijn. I

Fig. 4 toont een vierde uitvoeringsvorm van een I

gassensor 41 volgens de uitvinding die zich onderscheidt van de in fig. 3 I

weergegeven gassensor 31 doordat in plaats van twee spiegels 26, 27 een I

20 gefacetteerde spiegel 42 is voorzien waarmee op spiegel oppervlakken 43 I

het van de lichtbron 23 vallend licht in de richting van de I

lichtintreeopening 32 wordt gereflecteerd terwijl met behulp van I

spiegel oppervlak 44 het van de lichtbron 22 afkomstige licht in de I

richting van de lichtintreeopening 32 wordt gereflecteerd. Mechanische I

25 slijtage en vervuiling van de gefacetteerde spiegel 42 zullen voor beide I

lichtbronnen 22, 23 op eenzelfde wijze optreden waardoor met behulp van I

de referentielichtbron 23 eenvoudig de op basis van lichtbron 22

vastgestelde C02-concentratie kan worden gecorrigeerd. I

Bovendien wordt met behulp van de gefacetteerde spiegel een I

30 symmetrische lichtinval op de lichtintreeopening 32 verkregen. I

Het is ook mogelijk om de gefacetteerde spiegel te voorzien I

1024364 I

7

, I

van minder of meer spiegel oppervlakken.

Het is uiteraard ook mogelijk om met behulp van de gassensor volgens de uitvinding andere gassen dan C02 te detecteren, waarbij het filter 24 bijvoorbeeld licht met een golflengte van 4,64 μπι 5 voor CO of 3,4 jum voor HC doorlaat.

Het is ook mogelijk om de lichtbron vergroot op de lichtintreeopening af te beelden.

1024364

Claims

1. Gassensor voorzien van een lichtbron, een licht I reflecterende kamer die ten minste een lichtintreeopening omvat, welke I 5 gassensor verder is voorzien van een met de licht reflecterende kamer I samenwerkende detector met behulp waarvan van de lichtbron afkomstig I licht waarneembaar is, met het kenmerk, dat de gassensor is voorzien van I afbeeldende optiek met behulp waarvan de lichtbron op de I lichtintreeopening van de licht reflecterende kamer afbeeldbaar is. I

2. Gassensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de I detector nabij een lichtuittreeopening van de licht reflecterende kamer I is gelegen. I

3. Gassensor volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat I tussen de lichtbron en de detector een golflengte bepalend element is I 15 gelegen. I

4. Gassensor volgens een der voorgaande conclusies, met het I kenmerk, dat tussen de lichtintreeopening en de detector het licht een I aantal malen in de kamer reflecteerbaar is. I

5. Gassensor volgens een der voorgaande conclusies, met het I 20 kenmerk, dat de kamer is voorzien van licht reflecterende wanden. I

6. Gassensor volgens een der voorgaande conclusies, met het I kenmerk, dat de kamer kanaal vormig is, waarbij ten minste een afmeting I van de kamer in de ordegrootte van de afmeting van een licht opnemend I segment van de detector ligt. I

7. Gassensor volgens een der voorgaande conclusies, met het I kenmerk, dat de gassensor is voorzien van ten minste twee lichtbronnen I die elk met behulp van afbeeldende optiek op dezelfde lichtintreeopening afbeeldbaar zijn. I

8. Gassensor volgens een der voorgaande conclusies, met het I 30 kenmerk, dat het afbeeldende optiek ten minste een spiegel omvat. I

9. Gassensor volgens een der voorgaande conclusies, met het I 1 024364 - I kenmerk, dat het golflengte bepalend element een filter is.

10. Gassensor volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het golflengte bepalend element tussen de lichtbron en het afbeeldend optiek is gelegen. 5 f 024364