WO2006029848A1 - Vorrichtung zum messen mindestens einer gaskomponente - Google Patents

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WO2006029848A1
WO2006029848A1 PCT/EP2005/009897 EP2005009897W WO2006029848A1 WO 2006029848 A1 WO2006029848 A1 WO 2006029848A1 EP 2005009897 W EP2005009897 W EP 2005009897W WO 2006029848 A1 WO2006029848 A1 WO 2006029848A1
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radiation source
gas
peltier cooler
radiation
component
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PCT/EP2005/009897
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Marcus Braun
Jürgen WÖLLENSTEIN
Harald BÖTTNER
Armin Lambrecht
Joachim Numus
Axel Schubert
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V
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    • 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
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
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    • 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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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0286—Constructional arrangements for compensating for fluctuations caused by temperature, humidity or pressure, or using cooling or temperature stabilization of parts of the device; Controlling the atmosphere inside a spectrometer, e.g. vacuum

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring at least one gas component of an existing gas in a Mess ⁇ according to the preamble of the main claim.
  • the light source used which emits a radiation emitted by the gas
  • the light source used can be changed in its emission frequency, since the coverage area can be changed by sweeping over a larger wavelength range can be increased.
  • the change of the emission frequency by changing the supply current of the light source.
  • the change in current causes a temperature change, for example, of the active zone of a laser and thus a Tuning the wavelength of the light source.
  • a Nach ⁇ part of this method for emission frequency change is associated with the tuning intensity modulation.
  • the tuning range which is determined by the laser threshold current in the case of using a laser and the maximum current, limited be ⁇ .
  • the modulating of the laser current shortens the service life of the light source up to the limits of the specifications.
  • the invention is therefore based on the object to provide a device for measuring at least one gas component, which allows a change in the emission frequency of the radiation source used with a small time constant and a satisfactory Abstimm ⁇ area, the life of the radiation source is not reduced.
  • the radiation source is modulated onto a miniaturized thermoelectric component, for example a miniaturized Peltier cooler, in order to change the wavelength emitted by the radiation source, its electrical supply can be variably adjusted, it is possible to achieve a very rapid thermal modulation the temperature of the light or radiation source with temperature changes of 10 to 70 K, eg in a time range of 1 ms to 50 ms. Because of the temperature dependence of the light source Emissi ⁇ onswellen nurse is thus achieved ent ⁇ speaking vote or modulation of the emission because length. In this case, in comparison to a current modulation according to the prior art, the occurring intensity change much lower.
  • a miniaturized thermoelectric component for example a miniaturized Peltier cooler
  • At least one photodiode, a pyro-, thermopile, a bolometer or an MCT detector can be used as the detector for detecting the radiation passing through the measurement gas, it being possible to select the type of detector based on the emission range of the light source ,
  • the radiation source is designed as a semiconductor laser or as an LED, preferably as surface emitting semiconductor laser. It is advantageous in this application that such lasers require low operating power, so that a sufficient cooling power can also be applied by means of a miniaturized thermoelectric element. Edge semiconductors with or without DFB structure or quantum cascade lasers can also be used as semiconductor lasers. The emission wavelength is chosen according to the gas to be measured.
  • an evaluation and control device For evaluating the signals of the detector with respect to the gas component and for controlling the temperature of the miniaturized thermoelectric component, an evaluation and control device is provided, wherein advantageously the evaluation device comprises an electronic signal analysis or a multivariant data analysis and the control of the temperature of the miniaturized thermoelectric device is performed by a pulse or modulation operation of the supply current.
  • the radiation Source of supply in the modulation mode that is supplied regulated or controlled.
  • the modulation and tuning of the current for the microcooler and the current for the radiation source is such that the change of the wavelength with the temperature is as constant as possible and the intensity of the radiation source is as constant as possible or changes uniformly.
  • thermoelectric elements By the periodic modulation of the current through the thermoelectric elements, an evaluation of the signal by means of a Fourier analysis (FFT) can take place.
  • FFT Fourier analysis
  • Advantageous for high measurement rates is a suitable choice of the modulation current of the cooler and an additional modulation of the laser current such that the change
  • the wavelength and the emitted intensity of the laser is such that it occurs as a fundamental component in the FFT and the changes in the parameters to be measured in the gas, such as concentration, pressure and temperature, are extracted from the higher harmonic components.
  • an array of a plurality of radiation sources with different emission wavelengths is provided, in which case the emission wavelengths of the radiation sources can be shifted relative to one another in such a way that the tuning ranges caused by modulation of the current through the thermoelectric component are substantially lie next to each other. It is advantageous in that a wide range of absorption band of the gas to be measured is detected and thus an evaluation with fast Fourier analysis is feasible.
  • gases can be far apart lying bands are used, so as to allow a better differentiation against other gases.
  • the identification in at least two Wellendorfnberei ⁇ chen serves to increase the security.
  • At least one temperature sensor and / or a heating element e.g. applied in the form of a thin-layer element.
  • a heating element e.g. applied in the form of a thin-layer element.
  • the hot side of the miniaturized Peltier cooler is arranged on a cooling device which can be used as a conventional cooling device, e.g. can be expandbil ⁇ det as commercially available normal Peltier cooler.
  • DERS tandes to reduce the heat capacity and the réellewi- and for better heat transfer its substrate can be on the cold side of the miniaturized Peltier cooler to a thickness of 50 - be 100 microns thinned and / or the substrate of a semiconducting ⁇ terlaser formed radiation source may be thinned and / or the substrate of the radiation source itself form the cold side of the Peltier cooler and / or the radiation source formed as a semiconductor laser is applied substrate-free to the cold side of the Pel ⁇ animal cooler.
  • the cold side of the microcooler for better thermal coupling a recess be provided in the dimensions of the radiation source in the order of magnitude of 20 to 200 ⁇ in for receiving the same.
  • a fast modulation of the light source is also achieved if this is designed as an infrared laser or - light-emitting diode.
  • a wedge-shaped or step-shaped structure is provided on the cold side of the miniaturized Peltier cooler, which advantageously consists of a material with a low thermal conductivity and on which an array of similar lasers.
  • the structure produces a temperature gradient during heating and cooling, which permits a serial sweeping of individual gas absorption lines. With appropriate evaluation, this embodiment increases the measuring accuracy.
  • FIG. 1 shows a schematic arrangement of an exemplary embodiment of the gas measuring device according to the invention
  • Fig. 2 shows the output voltage of the detector over the
  • Time, Fig. 3 is a signal curve of the power supply of
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a light source arrangement on a miniaturized pellet cooler.
  • FIG. 1 shows a gas measuring device according to the invention / which has a Peltier cooler 1, on the cold side of which a radiation source 2, for example by gluing or soldering, is applied.
  • the radiation of the radiation source 2 is directed so that it is passed through a measuring cuvette 3 filled with gas, wherein at the output of the measuring cuvette 3 a radiation detector 4 is arranged, which detects the transmitted radiation and converts it into an electrical signal.
  • the detector 4 is connected to an evaluation device 5 for the detected signals.
  • a control and / or Regelein ⁇ device 6 is provided, which can be connected to the Ausnceeinrich ⁇ device 5 and controls the Peltier cooler 1 and the radiation source 2 or controls.
  • the miniaturized Peltier cooler is preferably produced by a wafer-based thin-film technique, and one has a cold side on which the radiation side is applied and the cold side opposite a hot side.
  • the cold side consists for example of silicon.
  • the cold side of the microcooler can be thinned to a thickness of 50-100 ⁇ m.
  • a laser or an LED preferably a surface emitting semiconductor laser (VCSEL)
  • VCSEL surface emitting semiconductor laser
  • the substrate itself can form the cold side of the Peltier cooler, in particular in the case of a surface-emitting semiconductor laser.
  • the substrate of the VCSEL for example GaAs, can be thinned or the semiconductor laser can be prepared, for example, by means of a lift-off process without substrates and then applied to the cold side of the Peltier cooler.
  • the detector 4 is designed as a photodiode, but it can also be designed depending on the application as Pyropile, Thermopi- Ie, bolometer or MCT detector (mercury, cadmium tellurite).
  • the miniaturized Peltier cooler is preferably supplied by the control / regulating device 6 in pulsed or alternating mode with periodic current, as a result of which a faster temperature change occurs on the cold side of the Peltier cooler.
  • the temperature change of the cold side of the Peltier cooler 1 is transmitted directly to the radiation source 2 ü. Due to the temperature dependence of the emission wavelength of the light source, this changes its emission wavelength with the temperature change of the Peltier cooler, whereby a tuning or modulation in an emission wavelength range delimited by the temperature change is achieved.
  • the light source temperature can change from room temperature in the range of 10 to 70 K in 1 ms to 50 ms, which corresponds, for example, to a wavelength range between 759 and 762 nm for a VCSEL. This wavelength range can eg used for the measurement of oxygen.
  • the radiation emitted by the radiation source and modulated over a wavelength range is received by the detector 4 after transmission through the gas contained in the measuring cuvette 3 and converted into corresponding signals, which are conducted to the evaluation device 5.
  • the gas measuring device is operated with a periodic wavelength modulation in the frequency range of 1 Hz to IkHz, wherein during a period one or more gas absorption lines or even a whole When cooling and heating, the band should be swept over largely hysteresis-free.
  • the measured intensity should be constant during a period without gas or in at least one defined manner, e.g. sinusoidal, modulated.
  • the evaluation device carries out the evaluation of the gas concentrations and other parameters such as temperature and pressure via an electronic signal analysis.
  • a fast Fourier analysis can be used.
  • a Fourier component of the signal represents, for example, the intensity modulation of the signal without gas, the gas-specific parameters, such as gas concentration, temperature and pressure, can be extracted via higher harmonic components in the signal.
  • An ⁇ derem is thus also a simple gas detection via an analog or digital narrow-band filtering of the corresponding signal components possible.
  • the output signal of the detector 4 is shown, which shows the radiation passing through the measuring cuvette 3.
  • the time scale in FIG. 3 is gathered.
  • the supply current of the Peltier cooler is shown, which is rectangular in this example.
  • the cooling (left) and heating (right) both change the intensity of the radiation source and the distance of the absorption lines, which can be recognized as negative peaks.
  • the microcooler is now controlled by means of a voltage-controlled current source (control unit 6), wherein the current profile (shape and frequency) is set so that the change of the wavelength with the temperature and the line spacing of the absorption lines are as constant as possible.
  • control unit 6 a voltage-controlled current source
  • the current profile shape and frequency
  • the operating current of the radiation source is regulated so that the intensity change is as small as possible or as even as possible (eg sinusoidal).
  • the current profile for the cooler 1 and the operating current for the radiation source are tuned beforehand and stored in a memory or supplied by a function generator, the component the control unit 6 are.
  • the gas concentration can then be determined from the period of the absorption lines and the gas pressure can be determined from their distance.
  • a second, provided with the radiation of the radiation source 1 measuring channel is provided with associated detector in which no gas is contained, wherein the current to Miko rokühler and the operating current of the radiation source is controlled so that the detector signal of the second measuring channel z. B. has a clean sinusoidal shape.
  • the cold side of the microcooler 1 can be equipped with a temperature sensor and a heater, e.g. in the form of a thin film element, e.g. be provided of platinum, wherein the signals are passed to the control / regulating device 6.
  • a temperature sensor e.g. in the form of a thin film element, e.g. be provided of platinum
  • the supply can be adjusted accordingly so that a fast and accurate temperature control is achieved.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a Peltier cooler 1 with radiation source 3 according to the invention, wherein a wedge-shaped structure, for example, is provided on the cold side of the micro-cooler 1.
  • a wedge-shaped structure for example, is provided on the cold side of the micro-cooler 1.
  • an array 8 gleicharti- ger laser is applied on this wedge-shaped structure.
  • a temperature gradient thus arises, whereby the lasers emit at different wavelengths.
  • the individual gas absorption lines are serially overlined.
  • the structure may also have another shape, e.g. have a step shape.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Messen mindestens einer Gaskomponente eines in einem Messraum vorhandenen Gases mit mindestens einer Strahlungsquelle, die bezüglich ihres Wellenlängenbereichs an die zu erfassende Gaskomponente angepasst ist, und mindestens einem Strahlungsdetektor, der eine von der Strahlungsquelle ausgesandte und durch das Gas im Messraum hindurchgehende Strahlung empfängt und in elektrische Signale umwandelt, vorgeschlagen. Zur Änderung der von der Strahlungsquelle emittierten Wellenlänge ist die Strahlungsquelle auf einem miniaturisierten thermoelektrischen Bauteil, einem miniaturisierten Peltier-Kühler aufgebracht, dessen elektrische Versorgung variabel einstellbar ist.

Description

Vorrichtung zum Messen mindestens einer Gaskomponente
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen mindestens einer Gaskomponente eines in einem Mess¬ raum vorhandenen Gases nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Zur spektroskopischen Bestimmung einer Gaskomponente, z.B. hinsichtlich ihrer Konzentration in einem zu messenden Gas ist es vorteilhaft, wenn die verwendete Lichtquelle, die eine durch das Gas gesandte Strah¬ lung emittiert, in ihrer Emissionsfrequenz verändert werden kann, da durch Überstreichen eines größeren Wellenlängenbereichs der Erfassungsbereich vergrößert werden kann. Im Stand der Technik ist es bekannt, die Änderung der Emissionsfrequenz durch Verändern des Versorgungsstroms der Lichtquelle zu erreichen. Durch die Stromänderung wird eine Temperaturänderung z.B. der aktiven Zone eines Lasers bewirkt und damit eine Abstimmung der Wellenlänge der Lichtquelle. Ein Nach¬ teil dieses Verfahrens zur Emissionsfrequenzänderung ist die mit der Abstimmung einhergehende Intensitäts¬ modulation. Außerdem ist der Abstimmbereich, der durch den Laserschwellenstrom im Falle der Verwendung eines Lasers und dem Maximalstrom bestimmt wird, be¬ schränkt. Zudem verkürzt das Modulieren des Laser¬ stroms bis in den Grenzbereich der Spezifikationen die Lebensdauer der Lichtquelle.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen mindestens einer Gaskomponente zu schaffen, die eine Änderung der Emissionsfrequenz der verwendeten Strahlenquelle mit einer kleinen Zeitkonstanten und einem zufriedenstellenden Abstimm¬ bereich ermöglicht, wobei die Lebensdauer der Strah¬ lungsquelle nicht vermindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn- zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Dadurch, dass zur Änderung der von der Strahlungs¬ quelle emittierten Wellenlänge die Strahlungsquelle auf einen miniaturisierten thermoelektrischen Bau¬ teil, z.B. einem miniaturisierten Peltier-Kühler, an¬ geordnet ist dessen elektrische Versorgung variabel einstellbar ist, ist es möglich, eine sehr schnelle thermische Modulation der Temperatur der Licht- oder Strahlungsquelle mit Temperaturänderungen von 10 - 70 K, z.B. in einem Zeitbereich 1 ms - 50 ms zu errei¬ chen. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Emissi¬ onswellenlänge der Lichtquelle wird damit eine ent¬ sprechende Abstimmung bzw. Modulation der Emissions- weilenlänge erreicht. Dabei ist im Vergleich zu einer Strommodulation nach dem Stand der Technik die auf- tretende Intensitätsänderung wesentlich geringer.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah¬ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse- rungen möglich.
Als Detektor zur Erfassung der durch das Messgas hin¬ durchgehenden Strahlung kann mindestens eine Fotodio¬ de, eine Pyro-, Thermopile, ein Bolometer oder ein MCT-Detektor verwendet werden, wobei die Art des De¬ tektors nach dem Emissionsbereich der Lichtquelle ausgewählt werden kann.
In vorteilhafte Weise ist die Strahlungsquelle als Halbleiterlaser oder als LED, vorzugsweise als Ober¬ flächen emittierender Halbleiterlaser ausgebildet. Vorteilhaft bei dieser Anwendung ist, dass solche La¬ ser geringe Betriebsleistung erfordern, so dass auch durch ein miniaturisiertes thermoelektrisches Element eine ausreichende Kühlleistung aufgebracht werden kann. Als Halbleiterlaser können auch Kantenemitter mit oder ohne DFB-Struktur oder Quantenkaskadenlaser verwendet werden. Die Abstrahlungswellenlänge wird entsprechend dem zu messenden Gas gewählt.
Zur Auswertung der Signale des Detektors bezüglich der Gaskomponente und zur Steuerung/Regelung der Tem¬ peratur des miniaturisierten thermoelektrischen Bau¬ teils ist eine Auswerte- und Steuer-/Regeleinrichtung vorgesehen, wobei vorteilhafterweise die Auswerteein¬ richtung eine elektronische Signalanalyse bzw. eine multivariante Datenanalyse umfaßt und die Steue¬ rung/Regelung der Temperatur des miniaturisierten thermoelektrischen Bauteils durch einen Puls- oder Modulationsbetrieb des Versorgungsstroms durchgeführt wird. In vorteilhafter Weise wird auch die Strah- lungsquelle im Modulationsbetrieb d. h. geregelt oder gesteuert versorgt. Die Modulation und Abstimmung des Stroms für den Mikrokühlers und des Stroms für die Strahlungsquelle erfolgt so, dass die Änderung der Wellenlänge mit der Temperatur möglichst konstant ist und Intensität der Strahlungsquelle möglichst kon¬ stant ist oder sich gleichmäßig ändert.
Durch die periodische Modulation des Stroms durch das thermoelektrische Elemente kann eine Auswertung des Signals mit Hilfe einer Fourieranalyse (FFT) erfol¬ gen. Vorteilhaft für hohe Messraten ist hierbei eine geeignete Wahl des Modulationsstroms des Kühlers und eine zusätzliche Modulation des Laserstroms derart, dass die Änderung der Wellenlänge sowie der emittier¬ ten Intensität des Lasers so erfolgt, dass sie bei der FFT als Fundamentalkomponente auftritt und die Änderungen der im Gas zu messenden Parameter wie Kon¬ zentration, Druck und Temperatur aus den Anteilen der höheren Harmonischen extrahiert werden.
Entsprechend einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein Array aus mehreren Strahlungsquellen mit un¬ terschiedlichen Emissionswellenlängen vorgesehen, da- bei können die Emissionswellenlängen der Strahlungs¬ quellen zueinander derart verschoben sein, dass die durch Modulation des Stroms durch das thermoelektri¬ sche Bauteil hervorgerufenen Abstimmbereiche im We¬ sentlichen nebeneinander liegen. Vorteilhaft ist da- bei, dass ein weiter Bereich einer Absorptionsbande des zu messenden Gases erfaßt wird und damit eine Auswertung mit schneller Fourieranalyse durchführbar ist.
Wenn die Wellenlängen des Arrays mit Lasern weit aus¬ einander liegen, können bei Gasen weit auseinander liegende Banden genutzt werden, um so eine bessere Differenzierung gegen andere Gase zu ermöglichen. Die Identifizierung in mindestens zwei Wellenlängenberei¬ chen dient dabei zur Erhöhung der Sicherheit.
In vorteilhafter Weise wird auf der Kaltseite des als miniaturisiertem Peltier-Kühler ausgebildeten thermo- elektrischen Bauteils mindestens ein Temperatursensor und/oder ein Heizelement, z.B. in Form ein Dünn- Schichtelements aufgebracht. Dies führt zu einer schnellen Modulierbarkeit der Lichtquelle, da der Wi¬ derstandsheizer ein sehr schnelles Aufheizen der Kaltseite des Mikrokühlers bzw. der darauf angebrach¬ ten Strahlungsquelle ermöglicht. Damit kann eine schnelle und genaue Regelung durchgeführt werden.
Um die Kühlleistung und die nutzbare Temperaturdiffe¬ renz zu erhöhen, ist die Heißseite des miniaturisier¬ ten Peltier-Kühlers auf einer Kühlvorrichtung ange- ordnet, die als konventionelle Kühlvorrichtung, z.B. als handelsüblicher normaler Peltier-Kühler ausgebil¬ det sein kann.
Zur Reduzierung der Wärmekapazität und des Wärmewi- derstandes sowie zur besseren Wärmeübertragung kann auf der Kaltseite des miniaturisierten Peltier- Kühlers sein Substrat auf eine Dicke von 50 - 100 μm abgedünnt sein und/oder das Substrat der als Halblei¬ terlaser ausgebildeten Strahlungsquelle abgedünnt sein und/oder das Substrat der Strahlungsquelle selbst die Kaltseite des Peltier-Kühlers bilden und/oder die als Halbleiterlaser ausgebildete Strah¬ lungsquelle substratfrei auf die Kaltseite des Pel¬ tier-Kühlers aufgebracht werden. Schließlich kann in vorteilhafter Weise die Kaltseite des Mikrokühlers zur besseren thermischen Ankopplung eine Vertiefung in den Abmessungen der Strahlungsquelle in der Grö¬ ßenordnung von 20 bis 200 μin zur Aufnahme derselben vorgesehen sein.
Eine schnelle Modulierbarkeit der Lichtquelle wird auch erreicht, wenn diese als Infrarotlaser oder - leuchtdiode ausgebildet ist.
Wenn gleichzeitig mehrere Gase gemessen werden sol- len, kann in vorteilhafter Weise ein Array aus Mikro- kühlern mit Strahlungsquellen bei unterschiedlichen Emissionswellenlängen genutzt werden.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel kann darin ge- sehen werden, wenn auf der Kaltseite des miniaturi¬ sierten Peltier-Kühlers eine keilförmige oder stufen¬ förmige Struktur vorgesehen wird, die vorteilhafter¬ weise aus einem Material mit einer geringen thermi¬ schen Leitfähigkeit besteht und auf der sich ein Ar- ray gleichartiger Laser befindet. Durch die Struktur wird ein Temperaturgradient beim Aufheizen und Abküh¬ len erzeugt, der ein serielles Überstreichen von ein¬ zelnen Gasabsorptionslinien gestattet. Diese Ausfüh¬ rung erhöht bei entsprechender Auswertung die Messge- nauigkeit.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich¬ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be¬ schreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Anordnung eines Ausfüh¬ rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Gas¬ messvorrichtung,
Fig. 2 die Ausgangsspannung des Detektors über die
Zeit, Fig. 3 eine Signalkurve der Stromversorgung des
Peltierkühlers sowie eine Ausgangssignalkur¬ ve des Detektors entsprechend Fig. 2 in ver- größertem Zeitmaßstab, und
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Lichtquellen¬ anordnung auf einem miniaturisierten PeI- tier-Kühler.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Gasmessvorrich¬ tung dargestellt/ die einen Peltier-Kühler 1 auf¬ weist, auf dessen Kaltseite eine Strahlungsquelle 2, z.B. durch Kleben oder Löten aufgebracht ist. Die Strahlung der Strahlungsquelle 2 ist so gerichtet, dass sie durch eine mit Gas gefüllte Messkuvette 3 geleitet wird, wobei am Ausgang der Messkuvette 3 ein Strahlungsdetektor 4 angeordnet ist, der die trans- mittierte Strahlung erfasst und in ein elektrisches Signal umwandelt. Der Detektor 4 ist mit einer Aus¬ werteeinrichtung 5 für die erfassten Signale verbun¬ den. Weiterhin ist eine Steuer- und/oder Regelein¬ richtung 6 vorgesehen, die mit der Auswerteeinrich¬ tung 5 verbunden sein kann und die den Peltier-Kühler 1 und die Strahlungsquelle 2 steuert bzw. regelt.
Der miniaturisierte Peltier-Kühler ist vorzugsweise mit einem Verfahren der Dünnschichttechnik auf Wafer- basis hergestellt und eine weist eine Kaltseite, auf der die Strahlungsseite aufgebracht ist und der Kalt¬ seite entgegengesetzt eine Heißseite auf. Die Kalt¬ seite besteht beispielsweise aus Silizium. Zur Redu¬ zierung der Wärmekapazität und des Wärmewiderstands kann die Kaltseite des Mikrokühlers auf eine Dicke 50 - 100 μm abgedünnt sein. Als Strahlungsquelle wird je nach Ausführung ein La¬ ser oder eine LED, vorzugsweise ein Oberflächen emit¬ tierender Halbleiterlaser (VCSEL) verwendet. Um eine gute Wärmekopplung zu erzielen kann insbesondere bei einem Oberflächen emittierenden Halbleiterlaser des¬ sen Substrat selbst die Kaltseite des Peltier-Kühlers bilden. Das Substrat des VCSEL, z.B. GaAs, kann abge- dünnt sein oder der Halbleiterlaser kann z.B. mittels Lift-off Verfahren substratfrei präpariert und dann auf die Kaltseite des Peltier-Kühlers aufgebracht sein.
Der Detektor 4 ist als Fotodiode ausgebildet, er kann jedoch auch je nach Anwendung als Pyropile, Thermopi- Ie, Bolometer oder als MCT-Detektor (Quecksilber, Cadmium Tellurit) ausgeführt sein.
Der miniaturisierte Peltier-Kühler wird von der Steu¬ er/Regeleinrichtung 6 vorzugsweise im Puls- oder Wechselbetrieb mit periodischem Strom versorgt, wo¬ durch eine schnellere Temperaturänderung an der Kalt¬ seite des Peltier-Kühlers auftritt.
Die Temperaturänderung der Kaltseite des Peltier- Kühlers 1 wird direkt auf die Strahlungsquelle 2 ü- bertragen. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge der Lichtquelle ändert diese mit der Temperaturänderung des Peltier-Kühlers ihre Emis¬ sionswellenlänge, wodurch eine Abstimmung bzw. Modu- lation in einem durch die Temperaturänderung begrenz¬ ten Emissionswellenlängenbereich erreicht wird. Bei¬ spielsweise kann sich die Lichtquellentemperatur aus¬ gehend von Zimmertemperatur im Bereich von 10 - 70 K in 1 ms bis 50 ms ändern, dies entspricht beispiels- weise bei einem VCSEL einem Wellenlängenbereich zwi¬ schen 759 und 762 nm. Dieser Wellenlängenbereich kann z.B. für die Messung von Sauerstoff verwendet werden.
Die von der Strahlungsquelle ausgesandte, über einen Wellenlängenbereich modulierte Strahlung wird nach Transmission durch das in der Messkuvette 3 enthalte¬ nem Gas von dem Detektor 4 empfangen und in entspre¬ chende Signale umgewandelt, die an die Auswerteein¬ richtung 5 geleitet werden. Für eine möglichst genaue Auswertung der Detektorsignale, die zudem mit gerin- gern Aufwand an Elektronik/Software geschehen soll, wird die Gasmessvorrichtung mit einer periodischen Wellenlängenmodulation im Frequenzbereich von 1 Hz bis IkHz betrieben, wobei während einer Periode eine oder mehrere Gasabsorptionslinien oder sogar eine ganze Bande beim Abkühlen und Erwärmen weitgehend hysteresefrei überstrichen werden. Dabei sollte die gemessene Intensität während einer Periode ohne Gas konstant sein oder in zumindest einer definierten Weise, z.B. sinusförmig, moduliert werden.
Die Auswerteeinrichtung nimmt bei einer derartigen Wellenlängenmodulation die Auswertung der Gaskonzent¬ rationen und andere Parameter wie Temperatur und Druck über eine elektronische Signalanalyse vor. Dazu kann eine schnelle Fourieranalyse verwendet werden. Eine Fourierkomponente des Signals stellt beispiels¬ weise die Intensitätsmodulation des Signals ohne Gas dar, die gasspezifischen Parameter, wie Gaskonzentra¬ tion, Temperatur und Druck können über höhere harmo- nische Anteile im Signal extrahiert werden. Unter an¬ derem ist damit auch ein einfacher Gasnachweis über eine analoge oder digitale Schmalbandfilterung der entsprechenden Signalkomponenten möglich.
Eine andere Auswertung ist ein phasenstarres Nach¬ weisverfahren mittels "Lock in"-Technik, bei dem die Gaslinien anhand ihrer Phasenlage in Bezug auf die Grundmodulation erkannt werden können und nach rele¬ vanten Parametern, wie die Konzentration bestimmt werden können.
Bei der Aufnahme mehrerer Absorptionslinien besteht die Möglichkeit der Druck- und Temperaturmessung aus Form und relativer Intensität der Absorptionslinien (siehe Fig. 3) .
In Fig. 2 und Fig. 3 ist das Ausgangssignal des De¬ tektors 4 dargestellt, der die durch die Meßküvette 3 hindurchgehende Strahlung. Dabei ist der Zeitmaßstab in der Fig. 3 gerafft. Außerdem ist in Fig. 3 der Versorgungsstrom des Peltier-Kühlers dargestellt, der in diesem Beispiel rechteckförmig ist. Wie aus den Kurven zu erkennen ist, ändern sich mit der Abkühlung (links) und Aufheizung (rechts) sowohl die Intensität der Strahlungsquelle als auch der Abstand der Absorp- tionslinien, die als negative Peaks zu erkennen sind.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird nun mittels einer spannungsgesteuerten Stromquelle (Steu¬ ereinheit 6) der Mikrokühler angesteuert, wobei der Stromverlauf (Form und Frequenz) so eingestellt ist, dass die Änderung der Wellenlänge mit der Temperatur und der Linienabstand der Absorptionslinien möglichst konstant sind. Dazu wird auch, wie bereits erwähnt, der Betriebsstrom der Strahlungsquelle so geregelt, dass die Intensitätsänderung möglichst gering oder möglichst gleichmäßig (z. B. sinusförmig) ist.
Der Stromverlauf für den Kühler 1 und der Betriebs¬ strom für die Strahlungsquelle wird dabei vorher ab- gestimmt und in einem Speicher abgelegt oder durch einen Funktionsgenerator geliefert, die Bestandteil der Steuer- und Regeleinheit 6 sind.
Aus der Periode der Absorptionslinien kann dann die Gaskonzentration und aus ihrem Abstand der Gasdruck bestimmt werden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein zweiter, mit der Strahlung der Strahlungsquelle 1 versorgter Messkanal mit zugeordnetem Detektor vorgesehen, in dem kein Gas enthalten ist, wobei der Strom zum Mik¬ rokühler und der Betriebsstrom der Strahlungsquelle so geregelt wird, dass das Detektorsignal des zweiten Messkanals z. B. eine saubere Sinusform aufweist.
Die Kaltseite des Mikrokühlers 1 kann mit einem Tem¬ peratursensor und einer Heizung, z.B. in Form eines Dünnschichtelements, z.B. aus Platin versehen sein, wobei die Signale an die Steuer/Regeleinrichtung 6 geleitet werden. Abhängig von den Signalen des Tempe- ratursensors kann die Versorgung entsprechend einge¬ stellt werden, so dass eine schnelle und genaue Tem¬ peraturregelung erreicht wird.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform eines er- findungsgemäßen Peltier-Kühlers 1 mit Strahlungsquel¬ le 3 vorgesehen, wobei auf die Kaltseite des Mikro¬ kühlers 1 eine keilförmige Struktur z.B. aus Silizi¬ umdioxid Siθ2 oder AI2O3 aufgebracht werden. Auf die¬ ser keilförmigen Struktur ist ein Array 8 gleicharti- ger Laser aufgebracht. Über die Fläche der keilförmi¬ gen Struktur 7 entsteht so ein Temperaturgradient, wodurch die Laser bei unterschiedlichen Wellenlängen abstrahlen. Beim Aufheizen und Abkühlen werden so die einzelnen Gasabsorptionslinien seriell überstrichen. Selbstverständlich kann die Struktur auch eine andere Form z.B. eine Stufenform aufweisen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Messen mindestens einer Gaskom- ponente eines in einem Messraum vorhandenen Ga¬ ses mit mindestens einer Strahlungsquelle, die bezüglich ihres Wellenlängenbereichs an die zu erfassende Gaskomponente angepasst ist, und min¬ destens einem Strahlungsdetektor, der eine von der Strahlungsquelle ausgesandte und durch das
Gas im Messraum hindurchgehende Strahlung emp¬ fängt und in elektrische Signale umwandelt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Änderung der von der Strahlungsquelle (2) emittierten Wellenlänge die Strahlungsquelle auf einem miniaturisierten thermoelektrischen Bauteil aufgebracht ist, dessen elektrische Ver¬ sorgung variabel einstellbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass das thermoelektrische Bauteil ein miniaturisierter Peltier-Kühler (1) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da¬ durch gekennzeichnet, dass der Detektor (4) als Fotodiode, Pyro-, Thermopile, Bolometer oder MCT-Detektor ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Strahlungsquelle (2) ein Halbleiterlaser, vor¬ zugsweise ein Oberflächen emittierender Halblei- terlaser, ein Quantenkaskadenlaser, ein Kanten¬ emitter mit oder ohne DFB-Struktur oder eine LED ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteein¬ richtung (5) zur Auswertung der Signale des De¬ tektors (4) bezüglich der Gaskomponente und eine Steuer/Regeleinrichtung (6) zur Steue¬ rung/Regelung der Temperatur des miniaturisier¬ ten thermoelektrischen Bauteils (1) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Auswerteeinrichtung zur Be¬ stimmung der Konzentration der Gaskomponente und/oder zur Bestimmung von Temperatur und/oder Druck des Gases ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, da- durch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrich¬ tung eine Auswertung mittels multivarianter Da¬ tenanalyse umfasst.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer/Regel- einrichtung einen Pulsbetrieb oder Modulations¬ betrieb der Versorgung des thermoelektrischen Bauelements vornimmt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer/Regel- einrichtung für eine periodische Modulation des
Stroms durch das thermoelektrische Bauteil (1) und für eine Modulation des Stroms durch die Strahlungsquelle (2) ausgebildet ist, derart, dass die Änderung der Wellenlänge sowie die In- tensität der Lichtquelle in der Weise durchführ¬ bar ist, dass sie bei einer schnellen Fouriera- nalyse als Fundamentalkomponente auftritt und die Änderungen der im Gas zu messenden Parameter Konzentration und/oder Druck und/oder Temperatur aus den Anteilen der höheren Harmonischen extra¬ hierbar sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regel- einrichtung geeignet ist, den Versorgungsstrom des Peltier-Kühlers und/oder den Betriebstrom der Strahlungsquelle so zu steuern/regeln, dass die Änderung der Wellenlänge der Strahlungsquel- Ie mit der Temperatur möglichst konstant ist und/oder ihre Intensität konstant ist oder sich gleichmäßig ändert.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Array aus meh- reren Strahlungsquellen mit unterschiedlichen
Emissionswellenlängen vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Emissionswellenlängen zuein¬ ander derart verschoben sind, dass die durch Mo- dulation des Stroms durch das thermoelektrische
Bauteil hervorgerufenen Abstimmbereiche im We¬ sentlichen nebeneinander liegen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Strahlungsquellen stark un- terschiedliche Wellenlängen zur Erfassung von
Gasen mit weit auseinander liegenden Banden auf¬ weisen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kaltseite des Peltier-Kühlers (1) mindestens ein Tempera¬ tursensor und ein Heizelement angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Heißseite des Peltier-Kühlers zur Erhöhung der Kühlleis¬ tung und nutzbaren Temperaturdifferenz eine Kühlvorrichtung angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kaltseite des Peltier-Kühlers sein Substrat auf eine Dicke von 50 - 100 μm abgedünnt ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die als Halbleiter¬ laser ausgebildete Strahlungsquelle ein Substrat aufweist und das Substrat selbst die kalte Seite des Peltier-Kühlers (1) bildet oder abgedünnt ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die als Halbleiter¬ laser ausgebildete Strahlungsquelle substratfrei auf die Kaltseite des Peltier-Kühlers aufge- bracht ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltseite des Peltier-Kühlers mit einer Vertiefung mit den Ab¬ messungen der als Halbleiterlaser ausgebildeten Strahlungsquelle in der Größenordnung von 20 -
200 μm versehen ist, in der der Halbleiterlaser aufgebracht ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Array aus PeI- tier-Kühlern mit Strahlungsquellen bei unter¬ schiedlichen Emissionswellen zur gleichzeitigen Messung mehrerer Gaskomponenten vorgesehen sind.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der miniaturisierte Peltier-Kühler in Dünnschichttechnik hergestellt ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kaltseite des Peltier-Kühlers eine keilförmige oder abge¬ stufte Struktur vorgesehen ist, auf dem sich ein Array gleichartiger Laser befindet.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das Material der keilförmigen o- der stufenförmigen Struktur eine geringe thermi¬ sche Leitfähigkeit aufweist:
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