WO2004097381A1 - Gassensor, insbesondere für eine fahrzeug-klimaanlage - Google Patents

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WO2004097381A1
WO2004097381A1 PCT/DE2004/000410 DE2004000410W WO2004097381A1 WO 2004097381 A1 WO2004097381 A1 WO 2004097381A1 DE 2004000410 W DE2004000410 W DE 2004000410W WO 2004097381 A1 WO2004097381 A1 WO 2004097381A1
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WO
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gas
radiation source
gas sensor
infrared radiation
sensor according
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PCT/DE2004/000410
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Sperlich
Hans Lubik
Ronny Ludwig
Michael Arndt
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • 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
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    • 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
    • G01N2021/3513—Open path with an instrumental source

Definitions

  • the invention relates to a gas sensor for measuring a gas concentration, in particular for a vehicle air conditioning system.
  • Gas sensors for measuring gas concentrations which are based on the measurement of the absorption of infrared radiation (IR radiation)
  • IR radiation infrared radiation
  • They generally have an infrared (IR) radiation source and an IR detection device, between which an absorption path or an absorption region is formed along an optical axis, in which the emitted IR radiation in a specific wavelength range as a function of the measuring gas concentration is absorbed. Changes in the gas concentration in question can thus be determined as changes in the measurement signal of the IR detection device.
  • Open gas sensor concepts with freely accessible infrared sources and freely accessible detector elements can ensure high dynamics due to the good gas exchange in the open absorption area.
  • the optical components, i. H. however, the IR radiation source, the IR detector element and possibly additionally used reflectors are exposed to the contamination, so that in particular an application in the field of air conditioning systems and air circulation systems in the motor vehicle is not expedient.
  • a sensor housing with a membrane or a labyrinth is therefore used to protect the optical components of the gas sensor, in particular from contamination. That too Measuring gas first reaches the sensor housing, in which it diffuses through the protective membrane or flows through the labyrinth. As a result, the gas exchange between the surroundings and the absorption area of the sensor in the static state is relatively slow.
  • a rapid gas exchange through the membrane or the labyrinth is required, which can only be achieved by a pressure gradient between the environment and the inside of the sensor. Additional fans are used for this purpose or forced convection is generated in a flow channel.
  • Such sensors generally have a high measuring accuracy; however, they are generally complex and expensive to manufacture, so that they are used in mass applications such as. B. in the automotive sector, are rarely used.
  • the gas sensor according to the invention has the particular advantage that reliable detection of gas concentrations with high dynamics is achieved with relatively little expenditure on equipment.
  • An additional fan and the generation of forced convection can advantageously be omitted here.
  • the two optical components i.e. the infrared detector and the infrared radiation source are separated from the absorption region by gas-impermeable films which are essentially transparent to the infrared radiation at least in a wavelength range relevant to measurement. This separation at most allows the passage of negligible amounts of gas such. B. by adhesive areas to the optical components.
  • the installation position of the gas sensor according to the invention is independent of the flow of air through a ventilation system of the vehicle.
  • the gas sensor according to the invention can also be arranged in a housing or interconnected housing parts for the IR detector and the IR radiation source if the housing has sufficient thermal decoupling, for. B. made possible by a suitable U-shape or closed ring shape.
  • the radiation source and the detection device are advantageously each arranged in housings or housing parts of a common housing which are closed with respect to the absorption region.
  • the housing or housing parts have openings in the optical axis between the radiation source and the detection device, which are closed by the gas-impermeable IR-transparent films.
  • the films can be z. B. glued, welded, clamped or fastened in a similar manner, whereby a not absolutely, but sufficiently gas-tight shielding is achieved.
  • reflectors outside the optical axis can be used in the absorption area to reflect scattered radiation and thus to increase the measurement signal be provided.
  • the reflectors are provided outside the optical axis and thus the radiation source and the detection device are directly opposite one another, possible contamination of the reflectors has a minimal influence on the measurement signal.
  • the surfaces of the reflectors can also be kept largely resistant to dirt by dirt-repellent coatings or varnishes.
  • a material with a dirt-repellent surface can advantageously be used for the gas-impermeable, IR-transparent films.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • Wavelength ranges are in particular the long-wave IR range z. B. for carbon dioxide between 4 and 5 microns.
  • the resilience of a PTFE film only attached to the outside of a housing with a thickness of e.g. B. 200 to 500 ⁇ m is sufficient, with no significant optical drift occurring in the temperature range between - 40 and 100 ° C relevant for automotive applications.
  • the foils advantageously run completely or largely vertically, so that no dirt or dust particles can remain on the surface.
  • a heat source e.g. B. a light bulb in under-current operation
  • an optical filter is advantageously provided for selecting one or more wavelength ranges outside the absorption range, ie in the optical axis between the IR radiation source and the first film or the second film and the IR detection device.
  • a common housing z. B. a U-shape or a ring shape or O-shape can be provided, wherein a connecting channel between the detection device and radiation source can be used for laying electrical lines, so that the gas sensor has a common electrical connection.
  • FIG. 1 shows a section through a schematic diagram of a gas sensor according to the invention
  • Figure 2 shows an embodiment with a semi-open or U-shaped housing.
  • Fig. 3 shows a further embodiment in which compared to Fig. 2
  • FIG. 4 shows a further embodiment with a housing surrounding the absorption region
  • FIG. 5 shows a further embodiment in which a reflector has been added compared to FIG. 4;
  • FIG. 6 shows a further embodiment with an annular housing and an inner absorption region
  • FIG. 7 shows a further embodiment in which a reflector has been added compared to FIG. 6; 8 a, b show a section and a top view of a detector of the gas sensor according to the invention.
  • a gas sensor 1 has an infrared (IR) radiation source 2 with a light bulb 3 and a reflector 4, in the focal point of which the light bulb 3 is arranged with an incandescent filament operated.
  • the IR radiation source 2 is arranged in a radiation source housing 5 which has an opening 9 closed by a film 6.
  • the slide 6 is here in z.
  • assembly areas generated by gluing 8 to the housing 5 largely gas-tight.
  • a radiation source space 7 is thus formed in the interior of the housing 5 and is largely gas-tight separated from an absorption region 11.
  • An infrared (IR) detector 10 is arranged such that it lies opposite the IR radiation source 2 in an optical axis A and a direct beam path between the IR radiation source 2 and the IR detector 10 is possible without using reflector devices in the optical axis A. is.
  • FIGS. 8a, b An embodiment of an IR detector 10 is shown in more detail in FIGS. 8a, b.
  • the IR detector 10 has a premold housing 10.1 in which two glass base plates 10.3 are glued to one another by means of adhesive layers 10.2.
  • Two thermopile chips 12a, 12b are glued onto the glass base plates 10.3 by means of adhesive layers 10.2 and are mounted on a printed circuit board 14 via wire bonds 15a and contacts 15b.
  • Each thermopile chip 42a and 12b is formed with a seal glass layer 10.4 and a silicon cap 10.5 as a chip.
  • An optical filter 13 is fastened on the silicon cap 10.5 by means of an IR-transparent adhesive layer 10.6.
  • the optical filter 13 is highly transparent in a wavelength range relevant to measurement and filters out interfering wavelength ranges.
  • a diaphragm 16 fastened in the premold housing 10.1 only lets radiation fall onto the optical filters 13 through central openings 16.1.
  • thermopile chip 12a serves to measure the gas concentration in a first wavelength range
  • the further thermopile chip 12b serves as a reference in a second wavelength range in which no absorption by a gas of the absorption region 11 is to be expected.
  • the wavelength ranges are selected by the optical filters 13.
  • thermopile chips 12a can be placed in the housing 10.1 for the simultaneous measurement of several gas concentrations.
  • the IR detector 10 is arranged in a detector housing 19 which has an opening 22 around the optical axis A which is closed by a second film 18.
  • the film 18 is in z. B. attached by adhesive assembly areas 21 largely sealed gas-tight housing 19.
  • the detector housing 19 and the second film 18 define a detector space 17 which is largely gas-tight with respect to the absorption region 11.
  • a gas exchange to an outside space 20 indicated by arrows G is thus possible in the entire absorption region 11.
  • the films 6, 18 are, for. B. of PTFE (polytetrafluoroethylene), a PTFE-containing material or a material with similar dirt-repellent properties with a thickness of z. B. 200 to 500 microns provided.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • CO carbon monoxide
  • NO nitrogen monoxide
  • carbonyl groups nitrogen dioxide (N0 2 ), ozone (0 3 ) and sulfur dioxide (S0 2 ) and / or other IR radiation absorbing gases are measured.
  • the IR radiation source 2 and the IR detector 10 are unchanged from the first embodiment.
  • the IR radiation source 2 and the IR detector 10 are arranged in leg regions 23a, 23b of a common sensor housing 23, which is a semi-open one
  • the sensor housing 23 has a housing part 24 with two lids 25, 26 through which the radiation source 2 and the detector 10 can be used. In the half-open form of FIG. 2, gas exchange of the absorption region 30 with an outer space 29 is possible in three directions.
  • Training can also be provided a common circuit board on which the detector and radiation source are mounted.
  • a cylindrical reflector 34 with a reflective cylindrical inner surface is additionally provided, so that the absorption region 40 essentially comprises the interior of the reflector 34.
  • infrared radiation which is emitted from the radiation source 2 at a larger angle with respect to the optical axis A, is thereby at least partially reflected on the detector 10, so that the measurement signal is increased.
  • the gas exchange of the absorption region 40 indicated by the arrows G is correspondingly somewhat restricted compared to the second embodiment.
  • a common sensor housing 42 in which a radiation source space 47 is separated by the first foil 6 and a detector space 48 by the second foil 18.
  • the absorption area 50 formed between them is connected to an outer space 49 via openings 46.
  • a plurality of such openings 46 are advantageously provided distributed over the circumference in order to enable good gas exchange with correspondingly high measurement dynamics.
  • removable covers 44, 45 are provided for inserting and for maintaining or repairing the radiation source 2 and the detector 10.
  • a cylindrical reflector 57 is again additionally provided to increase the measurement signal.
  • the absorption region 60 is thus enlarged compared to that of FIG. 4.
  • the radiation source 2 and the detector 10 are accommodated in an annular housing 62 with an annular or O-shaped sensor space 65, which in turn is used for laying Cables, plugs and receptacles can be used; alternatively, it can also be used as a space for a common circuit board.
  • the absorption area 70 is provided within the housing 62, wherein a gas exchange of the absorption area 70 with an outer space 61 is possible from the drawing plane.
  • a cylindrical reflector 77 is again additionally provided, so that the absorption region 80 encompasses the interior of the cylindrical reflector 77 and is enlarged compared to the reflection space 70 of FIG. 6.
  • the embodiments shown give an example of the arrangement of detector 10 and radiation source 2 with the principle according to the invention of optical protection against contamination with a film of z. B. PTFE or a corresponding dirt-repellent material.
  • the optical axis A runs in a straight line between radiation source 2 or light bulb 3 and detector 10 or thermopile chips 12 a, b without using additional reflectors in the optical axis A.
  • radiation source 2 and detector 10 spatially closer to each other, or z. B.
  • the reflector is again advantageously provided in a housing with an opening which is shielded from the absorption area by a gas-impermeable film which is highly transparent to infrared radiation in the wavelength range relevant to the measurement.
  • the reflectors 34, 57, 77 advantageously have a non-stick coating on their mirror surface.

Abstract

Die Erfindung betrifft einer Gassensor zur Messung einer Gaskonzentrati­on, insbesondere für eine Fahrzeug-Klimaanlage. Um mit relativ geringem apparativem Aufwand eine sichere Detektion von Gaskonzentrationen bei hoher Dynamik, vorteilhafterweise ohne zusätzli­chen Lüfter und Zwangskonvektion, zu erreichen, weist der Gassensor auf: eine Infrarot-Strahlungsquelle (2) zum Aussenden von Infrarot-Strahlung, eine Infrarot-Detektionseinrichtung (10) zum Empfangen der Infrarot­Strahlung, einen Absorptionsbereich (11, 30, 40, 50, 60, 70, 80) zur Aufnahme eines Gases mit der zu messenden Gaskonzentration, der entlang einer optischen Achse (A) zwischen der Infrarot-Strahlungsquelle (2) und der Infra­rot-Detektionseinrichtung (10) angeordnet ist, eine erste vorzugsweise schmutzabweisende gasundurchlässige Folie (6), die für die Infrarot-Strahlung zumindest in einem messrelevanten Wellen­längenbereich im Wesentlichen durchlässig ist und den Absorptionsbereich (11, 30, 40, 50, 60, 70, 80) von der Infrarot-Strahlungsquelle (2) trennt, und eine zweite vorzugsweise schmutzabweisende gasundurchlässige Folie (18), die für die Infrarot-Strahlung (9) zumindest in dem messrelevanten Wellenlängenbereich im Wesentlichen durchlässig ist und die Infrarot Detektionseinrichtung (10) von dem Absorptionsbereich (11, 30, 40, 50, 60, 70, 80) trennt.

Description

Gassensor, insbesondere für eine Fahrzeug-Klimaanlage
Die Erfindung betrifft einen Gassensor zur Messung einer Gaskonzentration, insbesondere für eine Fahrzeug-Klimaanlage.
Gassensoren zur Messung von Gaskonzentrationen, die auf der Messung der Absorption infraroter Strahlung (IR-Strahlung) beruhen, werden derzeit überwiegend in medizinischen und biologischen Anwendungsbereichen oder in der Branddetektion verwendet. Sie weisen im Allgemeinen eine Infrarot (IR)- Strahlungsquelle und eine IR-Detektionseinrichtung auf, zwischen denen entlang einer optischen Achse eine Absorptionsstrecke bzw. ein Absorp- tionsbereich ausgebildet ist, in welchem die abgestrahlte IR-Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich in Abhängigkeit der zu messenden Gaskonzentration absorbiert wird. Änderungen der betreffenden Gaskonzentration können somit als Änderungen des Messsignals der IR- Detektionseinrichtung ermittelt werden.
Offene Gassensorkonzepte mit frei zugänglicher Infrarot-Quelle und frei zugänglichem Detektorelement können aufgrund des guten Gasaustauschs in dem offenen Absorptionsbereich eine hohe Dynamik gewährleisten. Die optischen Komponenten, d. h. die IR-Strahlungsquelle, das IR-Detektorelement und evtl. zusätzlich verwendete Reflektoren sind jedoch der Verschmutzung ausgesetzt, so dass insbesondere eine Anwendung im Bereich von Klimaanlagen und Umluftsystemen im Kraftfahrzeug nicht sinnvoll ist.
Bei herkömmlichen Sensorsystemen wird daher zum Schutz der optischen Komponenten des Gassensors insbesondere vor Verschmutzung ein Sensorgehäuse mit einer Membran oder einem Labyrinth verwendet. Das zu messende Gas gelangt zunächst in das Sensorgehäuse, in welchem es durch die Schutzmembran diffundiert oder durch das Labyrinth strömt. Hierdurch ist der Gasaustausch zwischen der Umgebung und dem Absorptionsbereich des Sensors im statischen Zustand relativ langsam. Für ein hinreichend dynamisches Sensorsystem ist ein schneller Gasaustausch durch die Membran oder das Labyrinth erforderlich, der nur durch ein Druckgefälle zwischen Umgebung und Sensorinneren erreicht werden kann. Hierzu werden zusätzliche Lüfter verwendet oder eine Zwangskonvektion in einem Strömungskanal erzeugt.
Derartige Sensoren weisen im Allgemeinen eine hohe Messgenauigkeit auf; sie sind jedoch im Allgemeinen in der Herstellung aufwändig und teuer, so dass sie in Massenanwendungen, wie z. B. im Automobilbereich, kaum verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Gassensor weist demgegenüber insbesondere den Vorteil auf, dass mit relativ geringem apparativem Aufwand eine sichere De- tektion von Gaskonzentrationen bei hoher Dynamik erreicht wird. Hierbei können vorteilhafterweise ein zusätzlicher Lüfter und die Erzeugung einer Zwangskonvektion entfallen.
Erfindungsgemäß werden somit die beiden optischen Komponenten, d.h. der Infrarot-Detektor und die Infrarot-Strahlungsquelle, durch gasundurchlässige, für die Infrarot-Strahlung zumindest in einem messrelevanten Wellenlängen- bereich im Wesentlichen durchlässige Folien von dem Absorptionsbereich getrennt. Diese Trennung ermöglicht allenfalls noch den Durchtritt vernachlässigbarer Gasmengen z. B. durch Klebebereiche zu den optischen Komponenten.
Somit sind die optischen Komponenten sicher vor einer Verschmutzung geschützt, ohne dass das Gas durch eine Membran diffundieren oder ein Labyrinth geführt werden muss. Der Gasaustausch zwischen dem Absorptionsbe- reich und einem Außenraum wird somit allenfalls geringfügig beeinträchtigt. Hierdurch ist das Ansprechverhalten bzw. die Dynamik des Gassensors bei einer Änderung der Gaskonzentration höher als bei den eingangs beschriebenen Systemen. Aufgrund des offenen Absorptionsbereiches wird weiterhin die Bildung von Gassümpfen, d. h. Gasansammlungen in für Gaszirkulation und Konvektion schwer zugänglichen Bereichen, verhindert oder zumindest erschwert. Weiterhin ist eine thermische Trennung zwischen der Infrarot- Strahlungsquelle und der Infrarot-Detektionseinrichtung möglich. Hierdurch lässt sich eine hohe Messgenauigkeit auch bei Verwendung eines thermi- sehen Strahlers als Infrarot (IR)-Quelle und eines Thermopile-Chips als De- tektionseinrichtung erreichen. Da kein zusätzlicher Lüfter oder Konvektions- erzeuger erforderlich ist, ist die Einbaulage des erfindungsgemäßen Gassensors unabhängig von der Beströmung mit Luft durch ein Lüftungssystem des Fahrzeugs. Hierbei kann der erfindungsgemäße Gassensor auch in einem Gehäuse bzw. miteinander verbundenen Gehäuseteilen für den IR-Detektor und die IR-Strahlungsquelle angeordnet werden, wenn das Gehäuse eine hinreichende thermische Entkopplung z. B. durch eine geeignete U-Form oder geschlossene Ringform ermöglicht.
Erfindungsgemäß werden vorteilhafterweise die Strahlungsquelle und die Detektionseinrichtung jeweils in gegenüber dem Absorptionsbereich geschlossenen Gehäusen oder Gehäuseteilen eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet. Die Gehäuse bzw. Gehäuseteile weisen hierbei in der optischen Achse zwischen Strahlungsquelle und Detektionseinrichtung Öffnungen auf, die durch die gasundurchlässigen IR-transparenten Folien verschlossen sind. Hierdurch wird eine weitgehend gasdichte Abschirmung der Strahlungsquelle und der Detektionseinrichtung ohne Beeinträchtigung des Strahlengangs erreicht. Die Folien können hierbei am Gehäuse z. B. verklebt, verschweißt, geklemmt oder auf ähnliche Weise befestigt werden, wodurch eine zwar nicht absolut, jedoch hinreichend gasdichte Abschirmung erreicht wird. Ergänzend können im Absorptionsbereich Reflektoren außerhalb der optischen Achse zur Reflektion von Streustrahlung und somit zur Erhöhung des Messsignals vorgesehen sein. Da die Reflektoren außerhalb der optischen Achse vorgesehen sind und sich somit die Strahlungsquelle und die Detektionseinrichtung direkt gegenüberstehen, beeinflussen mögliche Verschmutzungen der Reflektoren das Messsignal allenfalls gering. Die Oberflächen der Reflekto- ren können ergänzend durch schmutzabweisende Beschichtungen bzw. Lacke weitgehend gegen Verschmutzungen resistent gehalten werden.
Für die gasundurchlässigen, IR-transparenten Folien kann vorteilhafterweise ein Material mit schmutzabweisender Oberfläche verwendet werden. Erfin- dungsgemäß wurde überraschenderweise festgestellt, dass PTFE (Polytet- rafluorethylen) sehr gute Eigenschaften als Folienmaterial für den erfindungsgemäßen Sensor aufweist, da es im messrelevanten Wellenlängenbereich bei hinreichend geringer Schichtdicke der Folie eine geringe Absorption bei hoher Gasdichtigkeit gewährleistet und ein Anhaften von Schmutz, Staub und dergleichen auf seiner Oberfläche weitgehend verhindert. Relevante
Wellenlängenbereiche sind insbesondere der langwellige IR-Bereich z. B. für Kohlendioxid zwischen 4 und 5 μm. Die Belastbarkeit einer lediglich an äußeren Bereichen an einem Gehäuse befestigten PTFE-Folie mit einer Dicke von z. B. 200 bis 500 μm ist hierbei hinreichend, wobei im für Automobilanwen- düngen relevanten Temperaturbereich zwischen - 40 und 100 °C keine wesentliche optische Drift auftritt. Vorteilhafterweise verlaufen die Folien in Einbauzustand ganz oder weitgehend vertikal, so dass auch keine Schmutzoder Staubpartikel auf der Oberfläche liegen bleiben können.
Die Verwendung einer Wärmequelle, z. B. einer Glühbirne im Unterstrombetrieb, ermöglicht geringe Herstellungs-, Betriebs- und Wartungskosten bei hoher Strahlungsleistung und somit hoher Messgenauigkeit auch geringer Konzentrationen und Konzentrationsunterschiede bei Verwendung nicht allzu aufwendiger Detektoren. Hierbei ist vorteilhafterweise ein optisches Filter zur Auswahl eines oder mehrerer Wellenlängenbereiche außerhalb des Absorptionsbereichs, d. h. in der optischen Achse zwischen IR-Strahlungsquelle und erster Folie oder zweiter Folie und IR-Detektionseinrichtung vorgesehen. Bei Verwendung eines gemeinsamen Gehäuses kann z. B. eine U-Form oder eine Ringform bzw. O-Form vorgesehen sein, wobei ein Verbindungskanal zwischen der Detektionseinrichtung und Strahlungsquelle zur Verlegung von elektrischen Leitungen verwendet werden kann, so dass der Gassensor einen gemeinsamen elektrischen Anschluss aufweist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Gassensors;
Fig. 2 eine Ausführungsform mit einem halboffenen bzw. U-förmigen Gehäuse; Fig. 3 eine weitere Ausführungsform, bei der gegenüber Fig. 2 ein
Reflektor ergänzt ist;
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform mit einem den Absorptionsbereich umgebenden Gehäuse;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform, bei der gegenüber Fig. 4 ein Reflektor ergänzt ist;
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform mit einem ringförmigen Gehäuse und einem inneren Absorptionsbereich;
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform, bei der gegenüber Fig. 6 ein Reflektor ergänzt ist; Fig. 8 a,b einen Schnitt und eine Draufsicht auf einen Detektor des erfindungsgemäßen Gassensors.
Ein Gassensor 1 weist eine Infrarot (IR)-Strahlungsquelle 2 mit einer Glühbirne 3 und einem Reflektor 4 auf, in dessen Brennpunkt die Glühbirne 3 mit einer im Unterstrom betrieb betriebenen Glühwendel angeordnet ist. Die IR- Strahlungsquelle 2 ist in einem Strahlungsquellengehäuse 5 angeordnet, das eine durch eine Folie 6 verschlossene Öffnung 9 aufweist. Die Folie 6 ist hierbei in z. B. durch Klebung erzeugten Montagebereichen 8 mit dem Gehäuse 5 weitgehend gasdicht verbunden. Im Inneren des Gehäuses 5 ist somit ein Strahlungsquellenraum 7 gebildet, der gegenüber einem Absorptionsbereich 11 weitgehend gasdicht abgetrennt ist.
Ein Infrarot (IR)-Detektor 10 ist derartig angeordnet, das er der IR- Strahlungsquelle 2 in einer optischen Achse A gegenüber liegt und ein direkter Strahlengang zwischen IR-Strahlungsquelle 2 und IR-Detektor 10 ohne Verwendung von Reflektoreinrichtungen in der optischen Achse A möglich ist.
Eine Ausführungsform eines IR-Detektors 10 ist in Fig. 8a, b detaillierter gezeigt. Der IR-Detektor 10 weist ein Premold-Gehäuse 10.1 auf, in dem mittels Klebstoff-Schichten 10.2 zwei Glassockelplatten 10.3 aufeinander aufgeklebt sind. Auf den Glassockelplatten 10.3 sind mittels Klebstoff-Schichten 10.2 zwei Thermopile-Chips 12a, 12b aufgeklebt, die über Drahtbonds 15a und Kontakte 15b auf einer Leiterplatte 14 montiert sind. Jeder Thermopile-Chip 42a und 12b ist mit einer Sealglasschicht 10.4 und einer Silizium-Kappe 10.5 als ein Chip ausgebildet. Auf der Silizium-Kappe 10.5 ist über eine IR- transparente Klebstoffschicht 10.6 ein optisches Filter 13 befestigt, das in einem messrelevanten Wellenlängenbereich hochtransparent ist und störende Wellenlängenbereiche ausfiltert. Eine im Premold-Gehäuse 10.1 befestigte Blende 16 lässt lediglich durch mittlere Öffnungen 16.1 Strahlung auf die optischen Filter 13 fallen.
Der Thermopile-Chip 12a dient hierbei der Messung der Gaskonzentration in einem ersten Wellenlängenbereich, der weitere Thermopile-Chip 12b dient als Referenz in einem zweiten Wellenlängenbereich, in dem keine Absorption durch ein Gas des Absorptionsbereichs 11 zu erwarten ist. Die Wellenlän- genbereiche werden durch die optischen Filter 13 ausgewählt. Hierbei können mehrere Thermopile-Chips 12a zur gleichzeitigen Messung mehrerer Gaskonzentrationen in das Gehäuse 10.1 gesetzt werden. Der IR-Detektor 10 ist in einem Detektorgehäuse 19 angeordnet, das um die optische Achse A herum eine Öffnung 22 aufweist, die durch eine zweite Folie 18 verschlossen ist. Die Folie 18 ist hierbei in z. B. durch Klebung er- zeugten Montagebereichen 21 am Gehäuse 19 weitgehend gasdicht befestigt. Das Detektorgehäuse 19 und die zweite Folie 18 definieren hierbei einen Detektorraum 17, der gegenüber dem Absorptionsbereich 11 weitgehend gasdicht abgeschlossen ist. Ein durch Pfeile G eingezeichneter Gasaustausch zu einem Außenraum 20 ist somit in dem ganzen Absorptionsbereich 11 möglich.
Die Folien 6, 18 sind z. B. aus PTFE (Polytetrafluorethylen), einem PTFE- haltigen Material oder einem Material mit ähnlichen schmutzabweisenden Eigenschaften mit einer Dicke von z. B. 200 bis 500 μm vorgesehen. Erfin- dungsgemäß können bei entsprechender Auswahl des optischen Filters 13 vor dem Thermopile-Chip 12a insbesondere Kohlendioxid (C02), weiterhin auch Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffmonoxid (NO), Carbonyl-Gruppen, Stickstoffdioxid (N02), Ozon (03) sowie Schwefeldioxid (S02) und/ oder weitere IR-Strahlung absorbierende Gase gemessen werden.
Bei den weiteren Ausführungsformen der Figuren 2 bis 7 sind die IR- Strahlungsquelle 2 und der IR-Detektor 10 gegenüber der ersten Ausführungsform unverändert. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind die IR-Strahlungsquelle 2 und der IR-Detektor 10 in Schenkelbereichen 23a, 23b eines gemeinsamen Sensorgehäuses 23 angeordnet, das eine halboffene
Form bzw. U-Form mit einem gemeinsamen Sensorraum 27 aufweist. In dem Sensorraum 27 können Leitungen, Stecker und Anschlüsse für den Detektor 10 und für die Strahlungsquelle 2 verlegt werden. Das Sensorgehäuse 23 weist ein Gehäuseteil 24 mit zwei Deckeln 25, 26 auf, durch die die Strah- lungsquelle 2 und der Detektor 10 eingesetzt werden können. Bei der halboffenen Form der Fig. 2 ist ein Gasaustausch des Absorptionsbereich 30 mit einem Außenraum 29 in drei Richtungen möglich. Alternativ zu der gezeigten Ausbildung kann auch eine gemeinsame Leiterplatte vorgesehen sein, auf der Detektor und Strahlungsquelle montiert sind.
Bei der Ausführungsform der Fig. 3 ist gegenüber Fig. 2 ergänzend ein zylin- derförmiger Reflektor 34 mit spiegelnder zylindrischer Innenfläche vorgesehen, so dass der Absorptionsbereich 40 im Wesentlichen den Innenraum des Reflektors 34 umfasst. Wie durch den eingezeichneten Strahlengang ersichtlich wird hierdurch auch Infrarot-Strahlung, die von der Strahlungsquelle 2 ausgehend unter einem größeren Winkel gegenüber der optischen Achse A ausgestrahlt wird, zumindest teilweise auf den Detektor 10 reflektiert, so dass das Messsignal erhöht ist. Durch den Reflektor 34 ist der durch die Pfeile G eingezeichnete Gasaustausch des Absorptionsbereichs 40 gegenüber der zweiten Ausführungsform entsprechend etwas eingeschränkt.
Bei der Ausführungsform der Fig. 4 ist ein gemeinsames Sensorgehäuse 42 vorgesehen, in dem ein Strahlungsquellenraum 47 durch die erste Folie 6 und ein Detektorraum 48 durch die zweite Folie 18 abgetrennt ist. Der dazwischen ausgebildete Absorptionsbereich 50 ist über Öffnungen 46 mit einem Außenraum 49 verbunden. Hierbei ist vorteilhafterweise eine Vielzahl derar- tiger Öffnungen 46 über den Umfang verteilt vorgesehen, um einen guten Gasaustausch mit entsprechend hoher Messdynamik zu ermöglichen. Auch bei dieser Ausführungsform sind abnehmbare Deckel 44, 45 zum Einsetzen und zur Wartung bzw. Reparatur der Strahiungsquelle 2 und des Detektors 10 vorgesehen.
Bei der Ausführungsform der Fig. 5 ist wiederum ergänzend ein zylinderför- miger Reflektor 57 zur Erhöhung des Messsignals vorgesehen. Der Absorptionsbereich 60 ist somit gegenüber demjenigen der Fig. 4 vergrößert.
Bei der Ausführungsform der Fig. 6 sind die Strahlungsquelle 2 und der Detektor 10 in einem ringförmigen Gehäuse 62 mit ringförmigem bzw. O- förmigem Sensorraum 65 aufgenommen, der wiederum zum Verlegen von Kabeln, Steckern und Aufnahmen verwendet werden kann; alternativ hierzu kann er auch als Raum für eine gemeinsame Leiterplatte verwendet werden. Der Absorptionsbereich 70 ist innerhalb des Gehäuses 62 vorgesehen, wobei ein Gasaustausch des Absorptionsbereichs 70 mit einem Außenraum 61 aus der Zeichenebene heraus möglich ist. Bei der Ausführungsform der Fig. 7 ist ergänzend wiederum ein zylinderförmiger Reflektor 77 vorgesehen, so dass der Absorptionsbereich 80 den Innenraum des zylinderförmigen Reflektors 77 umfasst und gegenüber dem Reflektionsraum 70 der Fig. 6 vergrößert ist.
Die gezeigten Ausführungsformen geben beispielhaft die Anordnung von Detektor 10 und Strahlungsquelle 2 mit dem erfindungsgemäßen Prinzip des optischen Schutzes vor Verschmutzungen mit einer Folie aus z. B. PTFE oder einem entsprechenden schmutzabweisenden Material dar. Bei allen gezeigten Ausführungsformen verläuft die optische Achse A geradlinig zwischen Strahlungsquelle 2 bzw. Glühbirne 3 und Detektor 10 bzw. Thermopile-Chips 12 a,b ohne Verwendung zusätzlicher Reflektoren in der optischen Achse A. Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, einen Reflektor in der optischen Achse A vorzusehen und hierdurch z. B. Strahlungs- quelle 2 und Detektor 10 räumlich näher aneinander anzuordnen, oder z. B. so auf einer Leiterplatte oder einem Substrat zu montieren, dass sie sich nicht gegenüberstehen und der Strahlenverlauf zwischen Strahlungsquelle 2 und Detektor 10 erst durch den zusätzlichen Reflektor ermöglicht wird. In einem derartigen Fall ist vorteilhafterweise der Reflektor wiederum in einem Gehäuse mit einer Öffnung vorgesehen, die gegenüber dem Absorptionsbereich durch eine gasundurchlässige, für Infrarot-Strahlung im messrelevanten Wellenlängenbereich hochtransparente Folie abgeschirmt ist.
Die Reflektoren 34, 57, 77 weisen an ihrer Spiegelfläche vorteilhafterweise eine Antihaftbeschichtung auf.

Claims

Patentansprüche
1. Gassensor zur Messung mindestens einer Gaskonzentration, insbe- sondere für eine Fahrzeug-Klimaanlage, wobei der Gassensor aufweist: eine Infrarot-Strahlungsquelle (2) zum Aussenden von Infrarot- Strahlung, eine Infrarot-Detektionseinrichtung (10) zum Empfangen der Infrarot- Strahlung, einen Absorptionsbereich (11 , 30, 40, 50, 60, 70, 80) zur Aufnahme eines Gases mit der zu messenden Gaskonzentration, der entlang einer optischen Achse (A) zwischen der Infrarot-Strahlungsquelle (2) und der Infrarot-Detektionseinrichtung (10) angeordnet ist, eine erste gasundurchlässige Folie (6), die für die Infrarot-Strahlung zumindest in einem messrelevanten Wellenlängenbereich im Wesentlichen durchlässig ist und den Absorptionsbereich (11 , 30, 40, 50, 60, 70, 80) von der Infrarot-Strahlungsquelle (2) trennt, und eine zweite gasundurchlässige Folie (18), die für die Infrarot-Strahlung zumindest in dem messrelevanten Wellenlängenbereich im Wesentlichen durchlässig ist und die Infrarot-Detektionseinrichtung (10) von dem Absorptionsbereich (11 , 30, 40, 50, 60, 70, 80) trennt.
2. Gassensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ga- sundurchlässigen, für die Infrarot-Strahlung im Wesentlichen durchlässigen Folien (6, 18) eine schmutzabweisende Oberfläche aufweisen, wobei sie z. B. aus Polytetrafluorethylen oder einem Polytetrafluor- ethylen-haltigen Material sind.
3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot-Strahlungsquelle (2) in einem Strahlungsquellenraum (7, 27, 47, 65) und die Detektionseinrichtung (10) in einem Detektorraum (17, 27, 48, 65) angeordnet ist, wobei der Strahlungsquellenraum (7) und der Detektorraum (17) von dem Absorptionsbereich (11 , 30, 40, 50, 60, 70, 80) durch die gasundurchlässigen Folien (6, 18) gasdicht getrennt sind.
4. Gassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsquellenraum (7, 27, 47, 65) in einem gegenüber dem Absorptionsbereich (11 , 30, 40, 50, 60, 70, 80) geschlossenen Gehäuse (5, 23, 42, 62) und der Detektorraum (17, 27, 48, 65) in einem gegenüber dem Absorptionsbereich (11 , 30, 40, 50, 60, 70, 80) geschlosse- nen Gehäuse (19, 23, 42, 62) angeordnet ist.
5. Gassensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektorraum (27, 48, 65) und der Strahlungsquellenraum (27, 47, 65) in einem gemeinsamen Sensorgehäuse (23, 42, 62) vorgesehen sind und der Absorptionsbereich (30, 40, 50, 60, 70, 80) mit einem Außenraum (29, 49, 61) über freie Bereiche oder Öffnungen des Gehäuses (23, 42, 62) verbunden ist
6. Gassensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsquellenraum (7, 47) und der Detektorraum (17, 48) getrennt sind.
7. Gassensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsquellenraum und der Detektorraum als gemeinsamer Sen- sorraum (27, 65) des Sensorgehäuses (23, 62) ausgebildet sind.
8. Gassensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (23) halboffen, vorzugsweise U-förmig, ausgebildet ist, wobei die Infrarot-Strahlungsquelle (2) und die Infrarot-Detek- tionseinrichtung (10) einander gegenüberstehend in vorragenden
Schenkelbereichen (23a, 23b) des Gehäuses (23) angeordnet sind und der Absorptionsbereich (30, 40) zwischen den vorragenden Schenkelbereichen (23a, 23b) angeordnet ist.
9. Gassensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Gehäuse (62) ringförmig ausgebildet ist und der
Absorptionsbereich (70,, 80) innerhalb des ringförmigen Gehäuses (62) angeordnet ist.
10. Gassensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Absorptionsbereich (50, 60) in dem Gehäuse (42) vorgesehen und über Öffnungen (46) mit dem Außenraum (49) verbunden ist.
11. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Infrarot-Strahlungsquelle (2) und die Infrarot- Detektionseinrichtung (10) sich in einer geradlinigen optischen Achse (A) direkt gegenüber stehen.
12. Gassensor nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass um die optische Achse (A) herum eine Reflektoreinr/chtung, vorzugsweise ein konzentrisch zur optischen Achse (A) angeordneter zylinderförmiger Reflektor (34, 57, 77), angeordnet ist.
13. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Infrarot-Strahlungsquelle (2) eine Wärmequelle (3), vorzugsweise eine Glühlampe (3), und einen Reflektor (4) zur Bündelung der von der Wärmequelle (3) ausgehenden Infrarot-Strahlung (9) entlang der optischen Achse (A) aufweist.
14. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (10) mindestens aufweist ein optisches Filter (13), einen Thermopile-Chip (12a, 12b) und eine opti- sehe Blende (16) zur Detektion der durch das optische Filter (13) hindurchgelassenen Infrarot-Strahlung.
15. Gassensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (10) mindestens aufweist zwei Thermopile-Chips
(12a, 12b) und zwei optische Filter (13), wobei ein optisches Filter (13) auf einen ersten Thermopile-Chip (12a) einen ersten Wellenlängenbereich für die Messung der Gaskonzentration durchlässt und das zweite optische Filter (13) auf einen zweiten Thermopile-Chip (12a) einen zweiten Wellenlängenbereich für eine Referenzmessung bei geringer
Absorption durchlässt.
16. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (10) und die Strahlungsquelle (2) auf einer gemeinsamen Leiterplatte oder einem gemeinsamen Substrat montiert sind.
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