WO2008046824A1 - Photoakustische gassensor-vorrichtung mit mehreren messzellen - Google Patents

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WO2008046824A1
WO2008046824A1 PCT/EP2007/061025 EP2007061025W WO2008046824A1 WO 2008046824 A1 WO2008046824 A1 WO 2008046824A1 EP 2007061025 W EP2007061025 W EP 2007061025W WO 2008046824 A1 WO2008046824 A1 WO 2008046824A1
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photoacoustic
gas
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Gerhard Müller
Olaf Schulz
Martin Lloyd
Karl-Heinz Suphan
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Eads Deutschland Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a photoacoustic gas sensor device according to the preamble of the appended claim 1, as it is known from DE 100 51 691 A1. This document will be discussed in more detail below.
  • gas sensors can be used, which measure the CO 2 content and the air humidity to monitor the air quality, so that ventilation can be switched on if necessary.
  • responsive sensors on natural gas or natural gas, mainly CH 4 . When these sensors respond, a gas supply can be switched off and / or a gas alarm can be given.
  • fire hazards sensors can be used, which respond to CO 2 , and / or smoke particles, for example, to trigger a fire alarm.
  • the present invention seeks to provide a single integrated optical sensor system which addresses all sensor problems to be solved, with only a single hardware element being provided to provide a better cost / benefit ratio than existing systems.
  • NDIR detectors Non-dispersive infrared detectors
  • Metal oxide-based gas sensors for gas leaks such as those offered by UST boomsensortechnik GmbH or by Figaro Engineering Inc.;
  • Scattered light detectors for detecting smoke particles such as those offered by the companies Hekatronmaschines GmbH or AOA Apparatebau Gauting GmbH.
  • photoacoustic gas sensors work with the photoacoustic effect.
  • light is converted into a sound wave when it encounters molecules, allowing conclusions to be drawn about the type and concentration of the investigated molecules.
  • Special gas molecules can be stimulated by light radiation of a special wavelength. Upon impact of this radiation on the molecules, heat is also released, resulting in a pressure change in the sample. Normally, these pressure differences would equalize immediately. However, if you do not use radiation with uniform intensity, but with wave-shaped modulated intensity, you get as a result of a pressure wave, that is, an acoustic signal that can be detected with a microphone.
  • photoacoustic gas sensors and the application of the photoacoustic effect can be found in many prior publications, for example in DE 197 55 866 C1, DE 197 35 205 A1, DE 196 32 867 B4, EP 1 564 543 A2, EP 0 801 296 A1, EP 0 798 552 B1, WO 2004/029593 A1, US Pat. No. 2,006,012,384 A1, US Pat. No. 6,662,627 B2, EP 0 871 860 B1 and DE 1 9528960 A1. Reference is made expressly to these aforementioned references for further details of the general structure of such photoacoustic gas sensors.
  • EP 1 574 840 A1 describes a photoacoustic gas sensor and a method for the production, with which a more cost-effective solution is to be achieved.
  • a measuring cell and a reference cell of a single photoacoustic gas sensor is produced on a printed circuit board as a module.
  • a micro-incandescent lamp is used to generate IR radiation in this system.
  • a reflector housing maps the radiation onto an IR bandpass filter. Behind the bandpass filter, which transmits the appropriate wavelength for the gas to be detected, is the actual measuring cell with a bidirectional differential microphone. By selecting the bandpass filter, one can select the gas which the photoacoustic gas sensor should detect.
  • CO 2 , NH 3 and CH 4 are mentioned.
  • the gas concentration can be determined by means of the difference between the signals obtained from the measuring cell and from the reference cell. It is also described to form the reference cell as a second gas sensing cell. For this purpose, a second radiator is proposed, which is associated with the reference cell, wherein a second reflection cell must be present. With this complicated structure can then simultaneously measure, for example, CO 2 and water vapor or hydrocarbons.
  • US Pat. No. 4,740,086 A discloses a photoacoustic gas sensor which, instead of using a laser, also uses a normal thermal radiation source which emits corresponding, diverging light. For bundling this light, a reflector with ellipsoidal structure is proposed. This reflector is formed as a half of an ellipse, which is completed at its parting plane with a plane mirror. In the center of the plane mirror is then a window for the exit of the IR radiation, which is then passed into a measuring volume through which the medium to be measured can be rinsed through. From the above-mentioned DE 100 51 691 A, a photoacoustic gas sensor with a closed measuring cell is known. This closed measuring cell is filled with the gas to be measured.
  • DE 100 51 691 A1 discloses a photoacoustic gas sensor device with a measuring space for receiving a medium to be measured, a radiation source, a first photoacoustic measuring cell connected to the measuring space, which is set up to detect a first gas, and an optical device for conducting radiation emitted from the radiation source through the measuring space to this photoacoustic measuring cell.
  • DE 100 51 691 A1 thus discloses a gas sensor device having the features of the preamble of claim 1 appended hereto. This photoacoustic gas sensor can also be combined with a smoke sensor. It is also described that when several different gases are to be detected, the measuring cell is filled with these multiple gases, in which case a different light source and another light filter is then necessary for each gas.
  • EP 1 111 367 B1 also describes a photoacoustic gas sensor with which a plurality of gases in a device can be measured. Again, two different light sources are present to measure two different gases to emit different wavelengths, both of which are modulated at different frequencies. With these different light beams, a single measuring cell provided with a microphone is irradiated. The evaluation of the detection of the different gases takes place due to the different modulation of the light beams via a downstream of the individual measuring cell electronics.
  • the object of the invention is to provide a photoacoustic gas sensor device with which different monitoring tasks can be achieved, which has a simple and compact structure. This object is achieved with a photoacoustic gas sensor device having the features of claim 1 appended hereto.
  • the invention accordingly provides a photoacoustic gas sensor device having a measuring space for receiving a medium to be measured, a radiation source, a first photoacoustic measuring cell connected to the measuring space, which is set up for detecting a first gas, and an optical device for conducting the radiation source emitted radiation through the measuring space to the first photoacoustic measuring cell, which is provided according to the invention that at least one second photoacoustic measuring cell, which is adapted to detect at least a second, different gas to be measured, is connected to the measuring space and that the optical device of the Radiation source emitted radiation through the measuring space therethrough to the first and the second measuring cell passes.
  • optical device instead of expensive laser devices, simple thermal emitters which emit normal diverging or diffuse radiation can be used.
  • the optical device can hold this diverging radiation within the measuring volume and thus irradiate the gas therein.
  • At least two measuring cells namely at least one first and one second measuring cell, which each respond to different gases.
  • the measuring cells can operate to contain the respective gas and a microphone device. If this gas to be detected is also present in the measuring chamber volume, then this gas absorbs the corresponding wavelength from the spectrum of Radiation source. Accordingly, less radiation is emitted from this wavelength in the respective measuring cell, so that the gas in the measuring cell is less excited and the signal becomes lower.
  • the corresponding signal change is a measure of the concentration of the gas to be measured within the measuring space.
  • monitoring tasks and control tasks such as, in particular, ventilation on demand and, in addition, further monitoring tasks, can thus be solved with a single hardware component. Due to the greater accuracy, for example, there is less likelihood of false alarms in gas leak detection.
  • the optical device can be constructed differently; Lens systems or reflector systems or a combination of lenses and reflectors would be conceivable.
  • a particularly simple solution can be achieved with the exclusive use of reflectors, especially when the measuring space is disposed within a reflector housing whose walls are at least partially reflective.
  • reflectors especially when the measuring space is disposed within a reflector housing whose walls are at least partially reflective.
  • an ellipsoidal shape of such reflective boundary walls By an ellipsoidal shape of such reflective boundary walls, a particularly advantageous bundling of the radiation emitted by the radiation source can be achieved.
  • Particularly preferred is an approximately spherical shape of the measuring space volume, wherein the radiation source can be arranged on a hemisphere and on the other hemisphere, the plurality of measuring cells can be arranged and the boundary walls are formed reflecting.
  • the radiation emitted by the radiation source is reflected within the (approximate) spherical shape, so that they pass several times through the interior of the spherical reflector housing acting as the measuring space until they strike one of the measuring cells.
  • the spherical shape may be modified, for example slightly flattened in the region of the radiation source, or parabolically shaped, wherein the radiation source is preferably arranged in a focal point of the corresponding reflector shape.
  • a smoke sensor may be arranged in the reflector housing.
  • the smoke sensor can be designed for example as a scattered light sensor, wherein at one end of the reflector volume, a light source for emitting a directional beam, such as a laser diode, arranged and in the target area of this directional beam a beam stopper is arranged.
  • the beam stopper may be a medium which absorbs and / or detects the emitted radiation.
  • there may be a measuring device for measuring scattered light which measures the scattered light which is scattered on smoke particles in the beam. This can be for example a photodiode which is sensitive to the radiation emitted by the directed radiation source of the smoke sensor.
  • different wavelength ranges are used for the radiation source for excitation of the photoacoustic measuring cells and for the directional radiation source of the smoke sensor.
  • Fig. 1 a purely explanatory schematic representation of a conventional photoacoustic gas sensor for the representation of the photoacoustic measuring principle
  • Fig. 2 is a diagram for showing the dependence of
  • Fig. 3 is a representation comparable to FIG. 1 for the explanation of
  • Fig. 4 shows the known arrangement of Fig. 3 with a
  • Fig. 5 is a schematic representation for explaining the function of a
  • Reflector housing as it is used in a photoacoustic gas sensor device according to the invention
  • Fig. 6 is an illustration of another embodiment of a
  • Reflector housing as it is used in a photoacoustic gas sensor device according to the invention
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a first embodiment of a photoacoustic gas sensor device according to the invention.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a second embodiment of a photoacoustic gas sensor device
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of a third embodiment of a photoacoustic gas sensor device according to the invention.
  • FIG. 10 is a schematic representation of a third embodiment with a circuit for connecting different measuring cell units.
  • FIGS. 1 to 4. the operation of a photoacoustic gas sensor with reflector arrangement will be explained first with reference to FIGS. 1 to 4. Then, with reference to Figs. 5 and 6, possible configurations of optical devices employable in the invention for utilizing a majority of emitted radiation for the photoacoustic effect will be explained.
  • various embodiments of a photoacoustic gas sensor apparatus configured as a multi-sensor system for detecting a plurality of different gases using a single hardware component will be explained with reference to Figs.
  • highly selective photoacoustic gas sensors are arranged to form an array of individual selected sensors.
  • Such gas sensor modules can solve within a single hardware component the following three monitoring problems commonly encountered in (public) buildings and in mobile systems:
  • scattered light smoke detectors can be incorporated into the cells proposed herein to minimize the likelihood of false alarms regarding fire detection.
  • Fig. 1 shows a conventional structure of a simply constructed photoacoustic gas sensor.
  • Photoacoustic gas sensors generally have a radiation source 10, which is usually active in the infrared range and, in the illustrated example, is designed as a thermal radiation source and diffusely emits light radiation 12 in different directions. Furthermore, a conventional photoacoustic gas sensor has a measuring cell 14 which is filled with the gas which is to be detected. In the path between the radiation source 10 and the measuring cell 14 is a measuring space 16 containing the medium to be measured, in which the gas to be detected can be present. The light radiation 12 entering the measuring cell 14 is absorbed by the reference gas in the measuring cell 14, whereby the reference gas heats up and therefore expands, whereby the pressure of the gas changes. If the light radiation 12 is irradiated periodically, then this results in correspondingly periodic pressure fluctuations, which can be detected by a microphone (not shown).
  • the diagram shown in FIG. 2 shows the dependence of the luminous flux ⁇ ED reaching the measuring cell 14 in the arrangement shown in FIG. 1 as a function of the length between the radiation source 10 and the measuring cell 14.
  • the luminous flux ⁇ ED is of the radius r E the radiation source 10, the radius r D of the entrance window of the detector, ie the measuring cell 14 and, as shown, on the length L of the measuring chamber 16 dependent.
  • FIG. 3 shows that the majority of the light radiation 12 emitted by the radiation source 10 does not reach the measuring cell 14 at all and is thus lost.
  • Fig. 4 shows a possible approach to reduce this loss.
  • a metallic tube 18 is present between the radiation source 10 and the measuring cell 14, whose inner walls are polished.
  • the tube 18 acts as a light guide, which reflects the light radiation 12 introduced into the end facing the radiation source 10 several times and thus leads to the measuring cell 14. This results in a better yield of the light radiation 12 emitted by the radiation source 10.
  • the optical device is here formed by a reflector housing 20 which is substantially spherical or spherically shaped.
  • the interior 22 of the reflector housing 20 now forms the measuring space 16.
  • gas inlet openings 24 are formed in the reflector housing 20 through which the medium to be measured can enter the measuring space 16.
  • the light radiation 12 is guided through the polished inner walls of the reflector housing 20 with relatively few reflections as far as the measuring cell 14. In this way, reflection losses are minimized even for those rays emitted at angles far from the direct line of sight between the radiation source 10 and the measuring cell 14. This makes even better use of the infrared light.
  • the reflector housing 26 is here elliptical and / or parabolic.
  • the arrangement of the radiation source 10 in a focal point of the ellipse and the measuring cell 14 in the other focal point of the ellipse can still achieve a higher light output.
  • a large proportion of the emitted light radiation 12 is collected with only a few reflections.
  • the reflector housing 20, 26 in ellipsoidal, parabolic or spherical shape can thus increase the light output by a factor of 100 to 1000 compared to the arrangement shown in Fig. 1.
  • the provision of a reflector housing 20, 26 also allows for higher system complexity using only a single infrared radiation source 10.
  • Fig. 7 shows a first embodiment of a multi-sensor system utilizing the photoacoustic effect.
  • the photoacoustic gas sensor device 30 shown in FIG. 7 has the radiation source 10, the reflector housing 20 and a first measuring cell 32 for detecting a first gas 33 (here: CO2), a second measuring cell 34 for detecting a second gas 35 (here: CO ) and a third measuring cell 36 for detecting a third gas 37 (here: CH 4 ).
  • the radiation source 10 is arranged on a first wall region 40 of the reflector housing 20, which is slightly flattened with respect to the ideal spherical shape, so that the first wall region 40 surrounding the radiation source 10 is curved with a larger radius than the opposing second wall region 42.
  • the three measuring cells 32, 34, 36 housed.
  • the inner wall 44 of the reflector housing 20 is designed as a mirror surface for the most effective reflection of the IR light radiation 12.
  • the reflector housing 20 is made of metal, wherein the inner wall 44 is polished.
  • FIG. 8 shows a second embodiment of the photoacoustic gas sensor device 50, which results from the first embodiment 30 shown in FIG. 7 by the addition of a fourth measuring cell 52 sensitive to moisture (eg H 2 O vapor) ,
  • This fourth measuring cell could be sensitive to water molecules photoacoustic measuring cell or else another moisture-responsive sensor.
  • the photoacoustic gas sensor device 50 according to the second embodiment shown in Fig. 8 is a suitable for several purposes sensor module, both for monitoring the air quality (CO2, H 2 O), for fire monitoring (CO 2 , CO) as well as for Detection of hydrocarbons (eg CH 4 ) and thus can serve to detect gas leaks.
  • CO2, H 2 O air quality
  • CO 2 , CO fire monitoring
  • Detection of hydrocarbons eg CH 4
  • Such a sensor module could be used for example in aerospace for interior monitoring.
  • FIG. 9 shows a third embodiment 60 of a photoacoustic gas sensor device. This third embodiment results from the second embodiment 50 shown in FIG. 8 by the addition of a smoke sensor 62.
  • the smoke sensor 62 has a directional radiation source in the form of a laser LED 64 and a beam stopper 66 and a scattered light detector 68.
  • the laser LED 64 transmits a directed light beam 70, wherein in the target area of this directed light beam 70, the beam stopper 66 is formed, which normally absorbs the directed light beam 70 as completely as possible.
  • a different wavelength than the main light radiation 12 of the radiation source 10 is used for the directed light beam 70.
  • the scattered light detector 68 has a photodiode 72 which is sensitive to the wavelength of the directed light beam 70 but not to the light radiation 12 of the radiation source 10. If now the directed light beam 70 to smoke particles 74 which are located within the measuring chamber 16, then stray light 76 is generated, which strikes the photodiode 72 directly, or indirectly via reflection on the reflector housing 20. In this way, the number of smoke particles 74 can be detected by means of the photodiode 72.
  • the first to third measuring cells 32, 34, 36 are each connected to a photoacoustic slave submodule 80.
  • the photoacoustic slave submodule receives the signal supplied by the microphone of the measuring cell 32, 34, 36 and transmits it via the network.
  • this is likewise connected to a photoacoustic slave submodule 80 or to a separate moisture sensor slave submodule 82.
  • the laser LED 64 is connected to a laser slave sub-module 84.
  • the photodiode 72 is connected to a smoke sensor slave submodule 86.
  • the radiation source 10 is connected to an emitter-slave sub-module 88.
  • All slave sub-modules (SSM) 80, 82, 84, 86, 88 are connected to a sub-bus 90, which serves as a sub-network for controlling the photoacoustic gas sensor device 30, 50, 60.
  • the sub-bus 90 is connected to a control unit 62 which serves as a master for the bus 90 and serves as an interface for connecting the gas sensor device 30, 50, 60 to an external network 94.
  • the external network 94 is formed according to the CAN standard in the illustrated example.
  • the LIN (Local Interconnect Network) standard has been developed to implement a simple bus system for communicating subgroups in a larger unit vehicle. For example, all control elements arranged on a steering wheel, such as, in particular, control buttons for radio operation, navigation operation, but also steering column lever functions or the like can be connected to such a sub-bus, which then uses only one bus line via the steering wheel hub is connected to the central vehicle control.
  • the LIN standard provides a simplified bus system that is suitable for bus systems with a relatively low number of nodes, where the master function is fixed from the outset, and possibly further slave modules are connected.
  • LIN LIN standard is just one example of a possible connection system. Similar bus systems with similar characteristics are also suitable.
  • the radiation source 10 is in the illustrated example only another node in the sub-bus system, so that the control of the radiation source 10 can be carried out for modeling the light radiation 12 via the sub-bus 90.
  • a CAN bus, an RS 485 MODBUS, an Ethernet network, etc. can be selected as an external bus system.
  • the control unit 92 is programmed and / or selected to be connected to the respective external network, respectively.
  • Radioacoustic gas sensor device (first embodiment) First measuring cell First gas Second measuring cell Second gas Third measuring cell Third gas First wall area Second wall area Inner wall Photoacoustic gas sensor device ( second embodiment) fourth measuring cell photoacoustic gas sensor device (third embodiment) smoke sensor laser LED beam stopper scattered light detector directed light beam photodiode smoke particles 76 stray light

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine photoakustische Gassensor-Vorrichtung (30, 50, 60) mit: einem Messraum (16) zur Aufnahme eines zu messenden Mediums, einer Strahlungsquelle (10), einer ersten an den Messraum (16) angeschlossenen photoakustischen Messzelle (32), die zum Erfassen eines ersten Gases (33) eingerichtet ist, und einer optischen Einrichtung zum Leiten von aus der Strahlungsquelle (10) ausgesandter Strahlung durch den Messraum (16) zu der ersten photoakustischen Messzelle (32). Um mit einer kompakten Einheit mehrere Sensoraufgaben lösen zu können, wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine zweite photoakustische Messzelle (34), die zum Erfassen wenigstens eines zweiten, unterschiedlichen zu messenden Gases (35) eingerichtet ist, an den Messraum (16) angeschlossen ist und dass die optische Einrichtung von der Strahlungsquelle (10) ausgesandte Strahlung (12) durch den Messraum (16) hindurch hin zu der ersten und zu der zweiten Messzelle (32, 34) leitet.

Description

PHOTOAKUSTISCHE GASSENSOR-VORRICHTUNG MIT MEHREREN
MESSZELLEN
Die Erfindung betrifft eine photoakustische Gassensor-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des hier beigefügten Patentanspruches 1 , wie sie aus der DE 100 51 691 A1 bekannt ist. Auf diese Druckschrift wird hiernach noch näher eingegangen.
Öffentliche Orte wie Gebäude und Verkehrssysteme - Flugzeuge, Züge, u.s.w. - müssen auf Luftqualität, Gaslecks sowie Feuergefahren überwacht werden. Hierzu können Gassensoren eingesetzt werden, die zum Überwachen der Luftqualität den CO2-Gehalt und die Luftfeuchtigkeit messen, so dass bei Bedarf eine Belüftung eingeschaltet werden kann. Zur Überwachung von Gaslecks können auf natürliches Gas oder Erdgas, hauptsächlich CH4, ansprechende Sensoren eingesetzt werden. Bei Ansprechen dieser Sensoren kann eine Gasversorgung abgeschaltet werden und/oder ein Gasalarm gegeben werden. Zur Überwachung von Feuergefahren können Sensoren eingesetzt werden, die auf CO2, und/oder Rauchpartikel ansprechen, um so beispielsweise einen Feueralarm auszulösen.
Mit der vorliegenden Erfindung soll insbesondere ein einzelnes integriertes optisches Sensorsystem geschaffen werden, das sich allen zu lösenden Sensorproblemen zuwendet, wobei nur ein einzelnes Hardwareelement vorgesehen sein soll, um ein besseres Kosten/Nutzenverhältnis als existierende Systeme zu schaffen.
Die derzeit auf dem Markt befindlichen Systeme benutzen spezielle Hardware- Lösungen für jedes einzelne Problemgebiet. Beispiele sind: • Nichtdispersive Infrarotdetektoren (NDIR-Detektoren) zum Messen von Kohlenstoffdioxid, wie sie beispielsweise von der Fa. Steinel Solutions AG, CH-8840 Einsiedeln, Schweiz, und Anderen angeboten werden;
• Metalloxydbasierende Gassensoren für Gaslecks, wie sie beispielsweise von der Fa. UST Umweltsensortechnik GmbH oder von der Fa. Figaro Engineering Inc. angeboten werden; und
• Streulichtdetektoren zum Erfassen von Rauchpartikeln, wie sie beispielsweise von den Firmen Hekatron Vertriebs GmbH oder AOA Apparatebau Gauting GmbH angeboten werden.
Wesentlich genauer als die zuvor erläuterten Systeme arbeiten photoakustische Gassensoren. Diese photoakustische Gassensoren arbeiten mit dem photoakustischen Effekt. Beim photoakustischen Effekt wird Licht beim Auftreffen auf Moleküle in eine Schallwelle umgewandelt, die Rückschlüsse auf Art und Konzentration der untersuchten Moleküle zulässt. Spezielle Gasmoleküle lassen sich durch Lichtstrahlung einer speziellen Wellenlänge anregen. Beim Auftreffen dieser Strahlung auf die Moleküle wird auch Wärme freigesetzt, was zu einer Druckänderung in der Probe führt. Normalerweise würden sich diese Druckdifferenzen sofort wieder ausgleichen. Verwendet man jedoch keine Strahlung mit gleichmäßiger Intensität, sondern mit wellenförmig modulierter Intensität, so erhält man als Ergebnis eine Druckwelle, das heißt ein akustisches Signal, das man mit einem Mikrofon nachweisen kann. Beispiele für photoakustische Gassensoren sowie die Anwendung des photoakustischen Effektes finden sich in vielen Vorveröffentlichungen, beispielsweise in der DE 197 55 866 C1 , der DE 197 35 205 A1 , der DE 196 32 867 B4, der EP 1 564 543 A2, der EP 0 801 296 A1 , der EP 0 798 552 B1 , der WO 2004/029593 A1 , der US 2 006/0123884 A1 , der US 6 662 627 B2, der EP 0 871 860 B1 sowie der DE 1 9528960 A1. Es wird für weitere Einzelheiten zu dem allgemeinen Aufbau solcher photoakustischer Gassensoren ausdrücklich auf diese vorerwähnten Druckschriften verwiesen.
Die vorerwähnten Druckschriften zeigen allesamt jedoch sehr spezielle Gassensoren, die einen komplizierten und somit teueren Aufbau haben, um möglichst hohe Sensorauflösungen zu erhalten oder um spezielle Sensoraufgaben zu lösen.
Die EP 1 574 840 A1 beschreibt einen photoakustische Gassensor und ein Verfahren zur Herstellung, mit dem eine kostengünstigere Lösung erzielt werden soll. Dabei wird eine Messzelle und eine Referenzzelle eines einzelnen photoakustischen Gassensors auf einer Leiterplatte als Modul hergestellt. Anstelle des bei teueren Systemen meist verwendeten Infrarotlasers wird bei diesem System eine Mikroglühlampe zur IR-Strahlenerzeugung verwendet. Ein Reflektorgehäuse bildet die Strahlung auf ein IR-Bandpassfilter ab. Hinter dem Bandpassfilter, welches die für das zu detektierende Gas passende Wellenlänge durchlässt, befindet sich die eigentliche Messzelle mit einem bidirektionalen Differenzmikrofon. Über die Auswahl des Bandpassfilters kann man das Gas auswählen, welches der photoakustische Gassensor detektieren soll. Als Beispiele sind CO2, NH3 und CH4 genannt. Zusätzlich zu der Messzelle gibt es auch noch eine Referenzzelle, so dass über die Differenz der aus Messzelle und aus Referenzzelle erhaltenen Signale die Gaskonzentration ermittelt werden kann. Es ist auch beschrieben, die Referenzzelle als zweite Gaserfassungszelle auszubilden. Hierzu wird ein zweiter Strahler vorgeschlagen, welcher der Referenzzelle zugeordnet ist, wobei auch eine zweite Reflektionszelle vorhanden sein muss. Mit diesem komplizierten Aufbau lassen sich dann gleichzeitig zum Beispiel CO2 und Wasserdampf oder Kohlenwasserstoffe messen.
Aus der US 4 740 086 A ist ein photoakustischer Gassensor bekannt, der ebenfalls anstelle eines Lasers eine normale thermische Strahlungsquelle verwendet, welche entsprechendes, divergierendes Licht aussendet. Zum Bündeln dieses Lichtes wird ein Reflektor mit ellipsoider Struktur vorgeschlagen. Dieser Reflektor ist als eine Hälfte einer Ellipse ausgebildet, die an ihrer Trennebene mit einem Planspiegel abgeschlossen ist. In der Mitte des Planspiegels befindet sich dann ein Fenster zum Austritt der IR-Strahlung, die anschließend in ein Messvolumen geleitet wird, durch welches das zu messende Medium hindurch gespült werden kann. Aus der eingangs erwähnten DE 100 51 691 A ist ein photoakustischer Gassensor mit einer geschlossenen Messzelle bekannt. Diese geschlossene Messzelle ist mit dem zu messenden Gas befüllt. Infrarotlicht von einer thermischen Strahlungsquelle wird durch einen als Reflektorgehäuse ausgebildeten Messraum hindurch zu der Messzelle geleitet. Dementsprechend offenbart die DE 100 51 691 A1 eine photoakustische Gassensor-Vorrichtung mit einem Messraum zur Aufnahme eines zu messenden Mediums, einer Strahlungsquelle, einer an den Messraum angeschlossenen ersten photoakustischen Messzelle, die zum Erfassen eines ersten Gases eingerichtet ist, und eine optische Einrichtung zum Leiten von aus der Strahlungsquelle ausgesandter Strahlung durch den Messraum zu dieser photoakustische Messzelle. Die DE 100 51 691 A1 offenbart somit eine Gassensor-Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des hier beigefügten Patentanspruches 1. Dieser photoakustische Gassensor kann weiter auch mit einem Rauchsensor kombiniert sein. Es ist dabei auch beschrieben, dass dann, wenn mehrere unterschiedliche Gase detektiert werden sollen, die Messzelle mit diesen mehreren Gasen befüllt wird, wobei dann für jedes Gas eine andere Lichtquelle und ein anderer Lichtfilter notwendig ist.
Auch die EP 1 111 367 B1 beschreibt einen photoakustischen Gassensor, mit dem mehrere Gase in einer Vorrichtung gemessen werden können. Auch hierbei sind zum Messen zweier unterschiedlicher Gase zwei unterschiedliche Lichtquellen vorhanden, um unterschiedliche Wellenlängen auszusenden, die beide mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert werden. Mit diesen unterschiedlichen Lichtstrahlen wird eine einzelne mit einem Mikrofon versehene Messzelle bestrahlt. Die Auswertung der Detektion der unterschiedlichen Gase erfolgt aufgrund der unterschiedlichen Modulation der Lichtstrahlen über eine der einzelnen Messzelle nachgeschaltete Elektronik.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine photoakustische Gassensor-Vorrichtung, mit der unterschiedliche Überwachungsaufgaben gelöst werden können, zu schaffen, die einen einfachen und kompakten Aufbau hat. Diese Aufgabe wird mit einer photoakustische Gassensor-Vorrichtung mit den Merkmalen des hier beigefügten Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft demnach eine photoakustische Gassensor- Vorrichtung mit einem Messraum zur Aufnahme eines zu messenden Mediums, einer Strahlungsquelle, einer ersten an den Messraum angeschlossenen photoakustischen Messzelle, die zum Erfassen eines ersten Gases eingerichtet ist, und einer optischen Einrichtung zum Leiten von aus der Strahlungsquelle ausgesandter Strahlung durch den Messraum zu der ersten photoakustischen Messzelle, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass wenigstens eine zweite photoakustische Messzelle, die zum Erfassen wenigstens eines zweiten, unterschiedlichen zu messenden Gases eingerichtet ist, an den Messraum angeschlossen ist und dass die optische Einrichtung die von der Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung durch den Messraum hindurch hin zu der ersten und zu der zweiten Messzelle leitet.
Durch die optische Einrichtung können anstelle von teueren Laservorrichtungen einfache thermische Emitter, welche normale divergierende oder diffuse Strahlung aussenden, verwandt werden. Die optische Einrichtung kann diese divergierende Strahlung innerhalb des Messraumvolumens halten und so das darin befindliche Gas bestrahlen.
Es reicht erfindungsgemäß aus, nur einen einzelnen Messraum mit nur einer Strahlungsquelle zu verwenden. Zur Messung wenigstens zweier unterschiedlicher Gase sind wenigstens zwei Messzellen, nämlich wenigstens eine erste und eine zweite Messzelle, die jeweils auf unterschiedliche Gase ansprechen, vorgesehen. Die Messzellen können derart arbeiten, dass sie das jeweilige Gas und eine Mikrophoneinrichtung enthalten. Ist nun in dem Messraumvolumen dieses zu erfassende Gas ebenfalls vorhanden, so absorbiert dieses Gas die entsprechende Wellenlänge aus dem Spektrum der Strahlungsquelle. Demnach kommt von dieser Wellenlänge in der jeweiligen Messzelle weniger Strahlung an, so dass das Gas in der Messzelle weniger angeregt wird und das Signal geringer wird. Die entsprechende Signaländerung ist ein Maß für die Konzentration des zu messenden Gases innerhalb des Messraumes.
Es ist somit erfindungsgemäß möglich, mit ein und derselben Strahlungsquelle, die das Messraumvolumen durchstrahlt, ganz unterschiedliche Gase zu detektieren, indem man nur unterschiedliche Messzellen an das Messraumvolumen anschließt.
Damit kann man in einem Messraumvolumen unter Verwendung einer (einzelnen) einfachen thermischen Strahlungsquelle zwei, drei, vier und auch mehr unterschiedliche Gase messen.
Durch die Verwendung von hochselektiven photoakustischen Gassensoren, anstelle der eingangs erwähnten Metalloxidsensoren mit geringerer Sensorleistung, lassen sich auch recht geringe Konzentrationen detektieren.
Mit der erfindungsgemäßen photoakustischen Gassensor-Vorrichtung kann man so mit einem einzelnen Hardwareteil die verschiedensten Überwachungsaufgaben und Regelungsaufgaben, wie insbesondere die Belüftung bei Bedarf, und zusätzlich noch weitere Überwachungsaufgaben lösen. Aufgrund der größeren Genauigkeit gibt es beispielsweise bei einer Gasleckdetektion eine geringere Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen.
Durch eine kombinierte Messung von unterschiedlichen Gasen, insbesondere die gleichzeitige Erfassung von Kohlenstoffmonooxid und Kohlenstoffdioxid, können Fehlalarme bei einer Brandüberwachung reduziert werden. Eine zusätzliche Reduktion der Fehlalarme bei der Brandüberwachung lässt sich gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durch eine Kombination mit einem Rauchsensor erzielen. Die Vorteile bei der Verwendung eines solchen Multi-Sensorsystems sind eine signifikante Kosten red uktion aufgrund einer weitaus vereinfachten Integrationsmöglichkeit sowie eine wesentlich geringere Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen aufgrund der Möglichkeit, die Signale unterschiedlicher Messzellen in einer gemeinsamen Steuereinheit miteinander zu korrelieren. Durch die Anordnung mehrerer Sensorzellen in einem Hardwareteil lässt sich außerdem ein gemeinsames Kommunikationsnetz aufbauen, mit welchem die einzelnen Sensorzellen mit einer gemeinsamen Auswerteschaltung kommunizieren.
Die optische Einrichtung kann unterschiedlich aufgebaut sein; es wären Linsensysteme oder Reflektorsysteme oder eine Kombination von Linsen und Reflektoren denkbar. Eine besonders einfache Lösung lässt sich mit der ausschließlichen Verwendung von Reflektoren erzielen, insbesondere dann, wenn der Messraum innerhalb eines Reflektorgehäuses angeordnet ist, dessen Wandungen zumindest bereichsweise reflektierend ausgebildet sind. Durch eine ellipsoide Form solcher reflektierenden Begrenzungswände lässt sich eine besonders vorteilhafte Bündelung der von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlung erzielen. Besonders bevorzugt ist eine etwa kugelförmige Form des Messraumvolumens, wobei an einer Halbkugel die Strahlungsquelle angeordnet sein kann und auf der anderen Halbkugel die mehreren Messzellen angeordnet sein können und die Begrenzungswandungen reflektierend ausgebildet sind. Dadurch wird die von der Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung innerhalb der (annähernden) Kugelform reflektiert, so dass sie mehrfach durch den als Messraum wirkenden Innenraum des kugelförmigen Reflektorgehäuses hindurchgehen, bis sie auf eine der Messzellen treffen. Zur Optimierung kann die Kugelform abgeändert sein, beispielsweise im Bereich der Strahlungsquelle etwas abgeflacht oder parabolisch geformt sein, wobei die Strahlungsquelle vorzugsweise in einem Brennpunkt der entsprechenden Reflektorform angeordnet wird.
Vorzugsweise sind wenigstens zwei Messzellen angeordnet, die wenigstens zwei der folgenden Gase detektieren können: Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonooxid, Wasserdampf oder gasförmige Kohlenwasserstoffe, insbesondere CH4. Zusätzlich kann noch ein Rauchsensor in dem Reflektorgehäuse angeordnet sein. Der Rauchsensor kann zum Beispiel als Streulichtsensor ausgebildet sein, wobei an einem Ende des Reflektorvolumens eine Lichtquelle zum Aussenden eines gerichteten Strahls, beispielsweise eine Laserdiode, angeordnet und in dem Zielgebiet dieses gerichteten Strahles ein Strahlenstopper angeordnet ist. Der Strahlenstopper kann ein Medium sein, welches die ausgesandte Strahlung absorbiert und/oder detektiert. Außerhalb des Zielgebietes kann eine Messeinrichtung zum Messen von Streulicht vorhanden sein, die das Streulicht misst, welches an sich in dem Strahl befindlichen Rauchpartikeln gestreut wird. Dies kann beispielsweise eine Photodiode sein, die auf die von der gerichteten Strahlenquelle des Rauchsensors ausgesandten Strahlung sensitiv ist.
Vorteilhafterweise werden dabei für die Strahlungsquelle zur Anregung der photoakustischen Messzellen und für die gerichtete Strahlungsquelle des Rauchsensors unterschiedliche Wellenlängenbereiche verwendet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden hiernach anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1. eine rein erläuternde schematische Darstellung eines üblichen photoakustischen Gassensors zur Darstellung des photoakustischen Messprinzips;
Fig. 2 ein Diagramm zum Aufzeigen der Abhängigkeit der
Sensorsensivität des in Fig. 1 dargestellten Gassensors;
Fig. 3 eine Darstellung vergleichbar der Fig. 1 zur Erläuterung von
Strahlungsverlusten;
Fig. 4 die an sich bekannte Anordnung von Fig. 3 mit einer
Reflektoreinrichtung zum Darstellen einer Verbesserung der Lichtausnutzung; Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktion eines
Reflektorgehäuses, wie es bei einer erfindungsgemäßen photoakustischen Gassensor-Vorrichtung verwendbar ist;
Fig. 6 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines
Reflektorgehäuses, wie es bei einer erfindungsgemäßen photoakustischen Gassensor-Vorrichtung verwendbar ist;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen photoakustischen Gassensor-Vorrichtung;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer photoakustischen Gassensor-Vorrichtung;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen photoakustischen Gassensor- Vorrichtung; und
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform mit einer Schaltung zum Anschließen unterschiedlicher Messzelleneinheiten.
Im folgenden wird zunächst anhand den Fig. 1 bis 4 die Wirkungsweise eines photoakustischen Gassensors mit Reflektoranordnung erläutert. Dann werden anhand der Fig. 5 und 6 mögliche Konfigurationen von bei der Erfindung verwendbaren optischen Einrichtungen zum Ausnutzen eines Großteils von ausgesandter Strahlung für den photoakustischen Effekt erläutert. Anschließend werden anhand den Fig. 7 bis 10 verschiedene Ausführungsformen einer photoakustischen Gassensor-Vorrichtung erläutert, die als Multisensorsystem zum Erfassen von mehreren unterschiedlichen Gasen unter Verwendung eines einzelnen Hardwarebauteiles ausgebildet ist. Bei diesen in Fig. 7 bis 10 dargestellten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden hochselektive photoakustische Gassensoren derart angeordnet, dass sie eine Gruppierung von einzelnen ausgewählten Sensoren bilden. Derartige Gassensensormodule können innerhalb eines einzelnen Hardwarebauteiles die folgenden drei Überwachungsprobleme lösen, die üblicherweise in (öffentlichen) Gebäuden und in mobilen Systemen zu bewältigen sind:
• Luftqualitätsüberwachung,
• Branderfassung,
• Gasleckerfassung.
Um die derzeit bei üblichen photoakustischen Gassensormodulen mit relativ einfachem Aufbau erreichbaren Sensivitäten (diese liegen in der Größenordnung von 100 ppm) zu verbessern, werden sphärische und/oder parabolische mehrfach reflektierte Absorptionswege vorgeschlagen, um eine effizientere Nutzung von Licht aus thermischen Infrarotquellen und verlängerte optische Weglängen in einem definierten Messraum zu erzielen.
Zusätzlich können Streulichtrauchdetektoren in die hier vorgeschlagenen Zellen integriert werden, um die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen bezüglich einer Branderfassung zu minimieren.
Fig. 1 zeigt einen üblichen Aufbau eines einfach aufgebauten photoakustischen Gassensors.
Photoakustische Gassensoren weisen allgemein eine meist im infraroten Bereich wirksame Strahlungsquelle 10 auf, die in dem dargestellten Beispiel als thermische Strahlungsquelle ausgebildet ist und in diffuser Weise Lichtstrahlung 12 in unterschiedliche Richtungen aussendet. Weiter weist ein üblicher photoakustischer Gassensor eine Messzelle 14 auf, die mit demjenigen Gas gefüllt, welches detektiert werden soll. In dem Weg zwischen der Strahlungsquelle 10 und der Messzelle 14 befindet sich ein Messraum 16, der das zu messende Medium enthält, in welchem das zu erfassende Gas vorhanden sein kann. Die in die Messzelle 14 eintretende Lichtstrahlung 12 wird von dem Referenzgas in der Messzelle 14 absorbiert, wobei sich das Referenzgas erwärmt und daher ausdehnt, wodurch sich der Druck des Gases ändert. Wird die Lichtstrahlung 12 periodisch eingestrahlt, dann ergibt dies entsprechend periodische Druckschwankungen, die durch eine (nicht dargestelltes) Mikrofon erfasst werden kann.
Befindet sich bei dieser Anordnung kein zu erfassendes Gas in dem Messraum 16, wird entsprechend mehr Lichtstrahlung 12 in die Messzelle eingeleitet. Die Gasmoleküle des Referenzgases sprechen dabei auf eine bestimmte Wellenlänge der Lichtstrahlung an. Befindet sich aber ein solches Gas auch in dem Messraum 16, dann wird diese entsprechende Wellenlänge bereits in dem Messraum 16 je nach Konzentration des Gases mehr oder weniger absorbiert, so dass an dem Mikrofon der Messzelle ein kleineres Signal anliegt.
Das in Fig. 2 dargestellte Diagramm zeigt die Abhängigkeit des die Messzelle 14 erreichenden Lichtflusses ΦED bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung in Abhängigkeit von der Länge zwischen der Strahlungsquelle 10 und der Messzelle 14. Der Lichtfluss ΦED ist von dem Radius rE der Strahlungsquelle 10, dem Radius rD des Eintrittsfensters des Detektors, d. h. der Messzelle 14 und, wie dargestellt, von der Länge L des Messraumes 16 abhängig.
Will man diese Länge vergrößern, um so eine größere Absorptionsweglänge, innerhalb der das in dem Messraum 16 enthaltene Gas die entsprechende Lichtlängenwelle absorbieren kann, zu erhalten, dann kommt aufgrund der diffusen Abstrahlung der Lichtstrahlung 12 von der Strahlungsquelle 10 entsprechend weniger Strahlung in der Messzelle 14 an.
Fig. 3 zeigt, dass der überwiegende Anteil der von der Strahlungsquelle 10 ausgesandten Lichtstrahlung 12 die Messzelle 14 gar nicht erreicht und somit verloren ist. Fig. 4 zeigt einen möglichen Ansatz, um diese Verlust zu verringern. Hierbei ist zwischen der Strahlungsquelle 10 und der Messzelle 14 eine metallische Röhre 18 vorhanden, deren Innenwände poliert sind. Die Röhre 18 wirkt als Lichtleiter, die die in das der Strahlungsquelle 10 zugewandte Ende eingeleitete Lichtstrahlung 12 mehrfach reflektiert und somit zu der Messzelle 14 führt. Dadurch ergibt sich eine bessere Ausbeute der von der Strahlungsquelle 10 ausgesandten Lichtstrahlung 12.
Da bei jeder Reflektion etwas Lichtleistung verloren geht, wird immer noch Licht, das in Winkeln abgestrahlt wird, die weit von der direkten Sichtlinie entfernt sind, stark abgeschwächt.
Fig. 5 zeigt daher eine photoakustischer Gassensoranordnung mit einer besonders wirksamen optischen Einrichtung zur Verbesserung der in die Messzelle 14 eingebrachten Lichtleistung. Die optische Einrichtung ist hier durch ein Reflektorgehäuse 20 gebildet, das im wesentlichen kugelförmig oder sphärisch geformt ist. Der Innenraum 22 des Reflektorgehäuses 20 bildet nun den Messraum 16. Zu diesem Zweck sind in dem Reflektorgehäuse 20 Gaseintrittsöffnungen 24 ausgebildet, durch die das zu messende Medium in den Messraum 16 eintreten kann. Wie in Fig. 5 dargestellt, wird durch die polierten Innenwände des Reflektorgehäuses 20 die Lichtstrahlung 12 mit relativ wenigen Reflektionen bis hin zu der Messzelle 14 geführt. Auf diese Weise werden Reflektionsverluste sogar für diejenigen Strahlen minimiert, die mit Winkeln ausgesandt werden, die weit entfernt von der direkten Sichtlinie zwischen der Strahlungsquelle 10 und der Messzelle 14 liegen. Damit wird das Infrarotlicht noch besser ausgenutzt.
Die Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform eines möglichen Reflektorgehäuses 26. Das Reflektorgehäuse 26 ist hier elliptisch und/oder parabolisch geformt. Durch die Anordnung der Strahlungsquelle 10 in einem Brennpunkt der Ellipse und der Messzelle 14 in dem anderen Brennpunkt der Ellipse lässt sich noch eine höhere Lichtausbeute erzielen. Ein großer Anteil der emmitierten Lichtstrahlung 12 wird mit nur wenigen Reflexionen gesammelt. Durch geschickte Ausbildung des Reflektorgehäuses 20, 26 in ellipsoider, parabolischer oder sphärischer Form lässt sich somit die Lichtausbeute um einen Faktor 100 bis 1000 gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Anordnung erhöhen. Das Vorsehen eines Reflektorgehäuses 20, 26 ermöglicht außerdem eine höhere Systemkomplexität bei Verwendung nur einer einzelnen Infrarot-Strahlungsquelle 10.
Fig. 7 zeigt eine erste Ausführungsform eines Multisensorsystems unter Ausnutzung des photoakustischen Effektes. Die in Fig. 7 dargestellte photoakustischer Gassensor- Vorrichtung 30 weist die Strahlungsquelle 10, das Reflektorgehäuse 20 und eine erste Messzelle 32 zum Detektieren eines ersten Gases 33 (hier: CO2), eine zweite Messzelle 34 zur Detektion eines zweiten Gases 35 (hier: CO) und eine dritte Messzelle 36 zum Erfassen eines dritten Gases 37 (hier: CH4), auf. Die Strahlungsquelle 10 ist an einem ersten Wandbereich 40 des Reflektorgehäuses 20 angeordnet, welcher gegenüber der idealen Kugelform etwas abgeflacht ist, so dass der die Strahlungsquelle 10 umgebende erste Wandbereich 40 mit einem größeren Radius gekrümmt ist als der gegenüberliegende zweite Wandbereich 42. In diesem gegenüberliegenden zweiten Wandbereich 42 sind die drei Messzellen 32, 34, 36 untergebracht. Die Innenwandung 44 des Reflektorgehäuses 20 ist als Spiegelfläche zur möglichst effektiven Reflexion der IR-Lichtstrahlung 12 ausgebildet. Insbesondere besteht das Reflektorgehäuse 20 aus Metall, wobei die Innenwandung 44 poliert ist. Mit der in Fig. 7 dargestellten photoakustischen Gassensor- Vorrichtung 30 lässt sich so mit nur einer Strahlungsquelle 10 das in dem Messraum 16 befindliche Medium auf das Vorhandensein von drei unterschiedlichen Gasen 33, 35, 37 überwachen, wobei auch die Konzentration dieser Gase von der Quantität her festgestellt werden kann.
In Fig. 8 ist eine zweite Ausführungsform der photoakustischen Gassensor- Vorrichtung 50 dargestellt, die sich aus der in Fig. 7 dargestellten ersten Ausführungsform 30 durch das Hinzufügen einer auf Feuchtigkeit (z. B. H2O- Dampf) sensitiven vierten Messzelle 52 ergibt. Diese vierte Messzelle könnte eine auf Wassermoleküle sensitive photoakustische Messzelle sein oder aber auch ein sonstiger auf Feuchtigkeit ansprechender Sensor.
Damit stellt die photoakustischer Gassensor-Vorrichtung 50 gemäß der in Fig. 8 dargestellten zweiten Ausführungsform ein für mehrere Zwecke geeignetes Sensormodul dar, das sowohl zur Überwachung der Luftqualität (CO2, H2O), zur Brandüberwachung (CO2, CO) als auch zur Erfassung von Kohlenwasserstoffen (z. B. CH4) und damit zur Erfassung von Gaslecks dienen kann.
Ein solches Sensormodul könnte beispielsweise in der Luft- oder Raumfahrt zur Innenraumüberwachung eingesetzt werden.
In Fig. 9 ist noch eine dritte Ausführungsform 60 einer photoakustischen Gassensorvorrichtung dargestellt. Diese dritte Ausführungsform ergibt sich aus der in Fig. 8 dargestellten zweiten Ausführungsform 50 durch das Hinzufügen eines Rauchsensors 62.
Der Rauchsensor 62 weist eine gerichtete Strahlungsquelle in Form einer Laser- LED 64 und einen Strahlstopper 66 sowie einen Streulichtdetektor 68 auf.
Die Laser-LED 64 sendet einen gerichteten Lichtstrahl 70, wobei in dem Zielgebiet dieses gerichteten Lichtstrahles 70 der Strahlstopper 66 ausgebildet ist, der im Normalfall den gerichteten Lichtstrahl 70 möglichst vollständig absorbiert. Für den gerichteten Lichtstrahl 70 wird eine andere Wellenlänge benutzt als die Hauptlichtstrahlung 12 der Strahlenquelle 10. Der Streulichtdetektor 68 weist eine Fotodiode 72 auf, die auf die Wellenlänge des gerichteten Lichtstrahles 70, nicht jedoch auf die Lichtstrahlung 12 der Strahlenquelle 10 sensitive ist. Trifft nun der gerichtete Lichtstrahl 70 auf Rauchpartikel 74 auf, die sich innerhalb des Messraumes 16 befinden, dann wird Streulicht 76 erzeugt, das direkt, oder indirekt über Reflektion an dem Reflektorgehäuse 20 auf die Fotodiode 72 trifft. Auf diese Weise lässt sich die Anzahl von Rauchpartikeln 74 mittels der Fotodiode 72 feststellen. Die Fig. 10 zeigt die elektrische Verschaltung der einzelnen Messzellen 32, 34, 36, 52, des Rauchsensors 62 sowie der Strahlungsquelle mittels eines Bussystems oder eines Netzwerkes. Das Netzwerk arbeitet nach dem neuen LIN-Standard, wie er durch die Firmen Audi, BMW, Daimler Chrysler, Freescale, Vulkano, VW festgelegt worden ist. Nähere Einzelheiten können unter www.lin- subbus.org oder über das LIN Consortium, Freescale Halbleiter Deutschland GmbH erhalten werden. Wie genauer aus Fig. 10 ersichtlich, sind die erste bis dritte Messzelle 32, 34, 36 jeweils an ein Photoakustik-Slave-Submodul 80 angeschlossen. Das Photoakustik-Slave-Submodul nimmt das von dem Mikrofon der Messzelle 32, 34, 36 gelieferte Signal auf und sendet es über das Netzwerk. Je nach Aufbau der vierten Messzelle 52 ist diese ebenfalls an ein Photoakustik- Slave-Submodul 80 oder an ein gesondertes Feuchtigkeitssensor-Slave- Submodul 82 angeschlossen.
Die Laser LED 64 ist an ein Laser-Slave-Submodul 84 angeschlossen. Die Fotodiode 72 ist an ein Rauchsensor-Slave-Submodul 86 angeschlossen. Und die Strahlungsquelle 10 ist an ein Emitter-Slave-Submodul 88 angeschlossen.
Alle Slave-Submodule (SSM) 80, 82, 84, 86, 88 sind an einen Subbus 90 angeschlossen, der als Unternetz zur Steuerung der photoakustischen Gassensor-Vorrichtung 30, 50, 60 dient. Der Subbus 90 ist an eine Steuereinheit 62 angeschlossen, die als Master für den Bus 90 dient und als Interface zum Anschließen der Gassensor-Vorrichtung 30, 50, 60 an ein externes Netzwerk 94 dient. Das externe Netzwerk 94 ist in dem dargestellten Beispiel nach dem CAN- Standard ausgebildet.
Der LIN(Local Interconnect Network)-Standard wurde entwickelt, um ein einfaches Bussystem zur Kommunikation von Untergruppen in einem Fahrzeug mit größeren Einheiten zu realisieren. Beispielsweise können alle auf einem Lenkrad angeordneten Steuerungselemente, wie insbesondere Bedientasten für die Radiobedienung, Navigationsbedienung, aber auch Lenkstockhebelfunktionen oder dergleichen an einen solchen Subbus angeschlossen werden, der dann mit nur einer Busleitung über die Lenkradnabe mit der zentralen Fahrzeugsteuerung verbunden ist. Der LIN-Standard stellt ein vereinfachtes Bussystem zur Verfügung, das sich für Bussysteme mit einer relativ geringen Knotenanzahl eignet, bei dem die Masterfunktion von vorneherein festgelegt ist, und allenfalls weitere Slave-Module angeschlossen werden.
Selbstverständlich ist der LIN-Standard nur ein Beispiel für ein mögliches Anschlusssystem. Vergleichbare Busssysteme mit ähnlichen Eigenschaften sind ebenfalls geeignet.
Auch die Strahlungsquelle 10 ist in dem dargestellten Beispiel nur ein weiterer Knoten in dem Subbus-System, so dass die Ansteuerung der Strahlungsquelle 10 zur Modellierung der Lichtstrahlung 12 über den Subbus 90 erfolgen kann.
Als äußeres Bussystem kann beispielsweise je nach dem spezifischen Einsatzgebiet ein CAN-Bus, ein RS 485 MODBUS, ein Ethernet-Netzwerk u.s.w. ausgewählt werden. Die Steuereinheit 92 wird entsprechend zum Anschließen an das jeweilige äußere Netzwerk programmiert und/oder ausgewählt.
Bezugszeichenliste
Strahlungsquelle - IR-Emitter - Lichtstrahlung (IR-Strahlung) Messzelle Messraum Metallische Röhre Reflektorgehäuse Innenraum Gaseintrittsöffnungen Reflektorgehäuse Photoakustische Gassensor-Vorrichtung (erste Ausführungsform) erste Messzelle erstes Gas zweite Messzelle zweites Gas dritte Messzelle drittes Gas erster Wandbereich zweiter Wandbereich Innenwandung Photoakustische Gassensor-Vorrichtung (zweite Ausführungsform) vierte Messzelle Photoakustische Gassensor-Vorrichtung (dritte Ausführungsform) Rauchsensor Laser-LED Strahlstopper Streulichtdetektor gerichteter Lichtstrahl Fotodiode Rauchpartikel 76 Streulicht
80 Photoakustik-Slave-Submodul
82 Feuchtigkeitssensor-Slave-Submodul
84 Laser-Slave-Submodul
86 Rauchsensor-Slave-Submodul
88 Emitter-Slave-Submodul
90 Subbus
92 Steuereinheit
94 externes Netzwerk

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Photoakustische Gassensor-Vorrichtung (30, 50, 60) mit: einem Messraum (16) zur Aufnahme eines zu messenden Mediums, einer Strahlungsquelle (10), einer ersten an den Messraum (16) angeschlossenen photoakustischen
Messzelle (32), die zum Erfassen eines ersten Gases (33) eingerichtet ist, und einer optischen Einrichtung zum Leiten von aus der Strahlungsquelle (10) ausgesandter Strahlung durch den Messraum (16) zu der ersten photoakustischen Messzelle (32), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite photoakustische Messzelle (34), die zum Erfassen wenigstens eines zweiten, unterschiedlichen zu messenden Gases (35) eingerichtet ist, an den Messraum (16) angeschlossen ist und dass die optische Einrichtung von der Strahlungsquelle (10) ausgesandte
Strahlung (12) durch den Messraum (16) hindurch hin zu der ersten und zu der zweiten Messzelle (32, 34) leitet, dass der Messraum im wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist und dass sphärische Begrenzungswände (44) des Messraumes (16) zumindest bereichsweise reflektierend ausgebildet sind, um die optische Einrichtung zu bilden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (10) eine divergierende IR-Strahlung aussendende thermische Strahlungsquelle (10) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum (16) durch den Innenraum (22) eines sphärischen oder ellipsoiden Reflektorgehäuses (20, 26) gebildet ist, wobei an einem ersten Abschnitt (40) davon die IR-Strahlungsquelle angeordnet ist und an einem diametral gegenüberliegenden Abschnitt (42) die mehreren Messzellen (32, 34, 36, 52) nebeneinander an der Reflektorgehäusewand angeschlossen sind.
4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Messraum (16) mehrere Messzellen (32, 34, 36, 52) angeschlossen sind, die jeweils zur Erfassung mehrerer unterschiedlicher Gase (33, 35, 37) eingerichtet sind, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind:
CO2, CO, H2O (Feuchtigkeit; Dampf) und gasförmige Kohlenwasserstoffe, insbesondere CH4.
5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Messraum (16) zusätzlich ein Rauchsensor (62) zum Erfassen von sich in dem Messraum (16) befindlichen Rauchpartikeln (74) angeschlossen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauchsensor (62) eine gerichtete Strahlenquelle zum Senden eines gerichteten Strahlbündels (70) durch den Messraum (16) auf einen begrenzten Zielbereich und außerhalb des Zielbereichs eine Strahlungsmesszelle zum Erfassen von durch Rauchpartikel (74) aus dem Strahlbündel abgelenkter Strahlung (76) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle eine Lasereinrichtung (64) und die Strahlungsmesszelle eine Photozelle (72) ist.
8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzellen (32, 34, 36, 52) mittels eines Kommunikationsnetzwerkes, untereinander und mit einer gemeinsamen Steuereinheit (92) verbunden sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationssystem ein Bussystem ist.
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