WO2017076716A1 - Absorptionsspektroskopische sensoranordnung und verfahren zur bestimmung einer stoffkonzentration in einem gasförmigen medium - Google Patents

Absorptionsspektroskopische sensoranordnung und verfahren zur bestimmung einer stoffkonzentration in einem gasförmigen medium Download PDF

Info

Publication number
WO2017076716A1
WO2017076716A1 PCT/EP2016/075802 EP2016075802W WO2017076716A1 WO 2017076716 A1 WO2017076716 A1 WO 2017076716A1 EP 2016075802 W EP2016075802 W EP 2016075802W WO 2017076716 A1 WO2017076716 A1 WO 2017076716A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
optical waveguide
sensor arrangement
measuring cell
spectroscopic sensor
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/075802
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel AQUINO MAIER
Martin Schreivogel
Philipp ELMLINGER
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2017076716A1 publication Critical patent/WO2017076716A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0218—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/062—LED's
    • G01N2201/0627—Use of several LED's for spectral resolution
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/08—Optical fibres; light guides

Definitions

  • the invention relates to an absorption spectroscopic sensor arrangement and to a method for determining a substance concentration in a gaseous medium.
  • DE 102008064173 A1 describes a method and an apparatus for measuring the substance concentration in gaseous or fluid media via optical spectroscopy by means of broadband light sources.
  • the light emitted by the broadband light sources is transmitted through light-guiding optics, such as optical fibers, through the measuring path of the
  • each optical waveguide is assigned a mode coupler.
  • the optical elements are arranged at a distance from the measuring cell.
  • the measuring cell and the optical elements are connected to each other via conventional, flexible optical fibers.
  • the mode occupation of these optical waveguides depends inter alia on a deformation of the optical waveguide.
  • the invention is based on an absorption spectroscopic sensor arrangement and a method for determining a substance concentration in a gaseous medium according to the preamble of the independent claims.
  • the absorption spectroscopic sensor arrangement according to the invention can be used, for example, as an exhaust gas sensor of a motor vehicle.
  • the absorption spectroscopic sensor arrangement can be placed at least partially in an exhaust gas system of a motor vehicle.
  • absorption spectra can be in the exhaust gases of the motor vehicle using the absorption spectroscopic invention
  • Sensor arrangement NO and NO2 distinguished and their respective concentration can be determined.
  • other gases such as NH 3, O 2 or SO 2 in the exhaust gases of the motor vehicle with their respective concentration can be determined independently.
  • an advantage of the invention with the features of the independent claim is that the inventive absorption spectroscopic sensor arrangement allows a simple, compact and robust implementation of various optical functions, wherein the optical functions, for example, a
  • an absorption spectroscopic sensor arrangement comprising an evaluation unit, which is designed to determine a substance concentration in a gaseous medium, a measuring cell, which is designed to receive the gaseous medium to be examined, a first
  • Light guiding optics which is adapted to the radiated from a light source unit light of the measuring cell and a second light guiding optics, which is adapted to the coming of the measuring cell light of the
  • the absorption spectroscopic invention Sensor arrangement is characterized in that the first light-guiding optical system comprises a first optical waveguide.
  • a first dimensioning of the first optical fiber is such that the first optical fiber is robust against environmental influences. Environmental influences in an exhaust system of a
  • the first optical waveguide has a first structuring, wherein light-guiding properties of the first optical waveguide can be set via the first structuring.
  • Absorptionssroskoproskopischen sensor arrangement allows a saving of optical elements, since the first optical waveguide through the first
  • Dimensioning and the first structuring is designed to at least one of several optical functions, such as homogenization of a wavelength distribution and a radiation characteristic of the light sources used, a reduction of light divergence and an efficient
  • absorption spectroscopic sensor arrangement Another advantage of the absorption spectroscopic sensor arrangement according to the invention is that a reduction of a thermal load of
  • Sensor arrangement for example, possible to place the measuring cell directly in the exhaust stream, where high temperatures prevail and to arrange the temperature-sensitive elements such as the light source unit and the evaluation in areas of lower temperature.
  • the light source unit and the light source unit are configured to place the measuring cell directly in the exhaust stream, where high temperatures prevail and to arrange the temperature-sensitive elements such as the light source unit and the evaluation in areas of lower temperature.
  • Evaluation unit are connected via light guiding optics with the measuring cell, while the light source unit and the evaluation unit can be connected directly to the light guiding optics or spaced from the
  • the light guiding optics allow the light to be efficiently guided over greater distances. Furthermore, the inventive
  • Absorption spectroscopic sensor arrangement due to the first Dimensioning of the first optical waveguide advantageously a low sensitivity to temperature changes and mechanical stress, such as occurs in connection with vibration, on.
  • the second light guide optical system comprises a second
  • Optical waveguide is such that the second optical waveguide is robust against environmental influences.
  • the second optical waveguide has a second structuring, wherein further
  • Light guiding properties of the second optical waveguide on the second structuring are adjustable.
  • an efficient light coupling of the light coming from the measuring cell in the second light guide optics is possible, whereby a higher accuracy and a higher sensitivity of the absorption spectroscopic sensor arrangement according to the invention is achieved , Due to the structuring, a detector surface for detecting the light can advantageously be reduced.
  • the robustness comprises both, the mechanical and chemical stability of the first optical waveguide and the second optical waveguide and that typical disturbances such as thermal expansion, deformation and vibration, which are typically in the range of 1 ⁇ to 100 ⁇ , hardly affect the signals of the optical waveguides to have.
  • the aperture of the second optical waveguide comprises both, the mechanical and chemical stability of the first optical waveguide and the second optical waveguide and that typical disturbances such as thermal expansion, deformation and vibration, which are typically in the range of 1 ⁇ to 100 ⁇ , hardly affect the signals of the optical waveguides to have.
  • optical fiber is greater than 1mm, which is at least an order of magnitude of typical noise.
  • the light source unit emits a broadband spectrum.
  • the light source unit comprises in one
  • Embodiment an arrangement of a plurality of monochromatic light sources having at least partially different spectra.
  • the wavelengths of the monochromatic light sources are chosen to encompass the wavelengths characteristic of the absorption spectrum of the substance whose concentration in the gaseous medium is to be examined.
  • an active or passive temperature control unit is arranged on at least one element of the absorption spectroscopic sensor arrangement.
  • the elements of the absorption spectroscopic sensor arrangement comprise the light source unit, the first light guiding optics, the second
  • the measuring cell comprises a reflection unit.
  • Radiation sensor arrangement without reflection unit is made possible.
  • the reflection unit comprises a plurality of reflection elements, which are arranged and / or shaped such that an entering into the measuring cell
  • a beam splitter is interposed between the first
  • Light component to be forwarded by reflection at the beam splitter via the first light-guiding optics of the evaluation and the second light component to be supplied by transmission at the beam splitter of the measuring cell is provided.
  • One advantage is that thus a division ratio into the first light component and the second light component can be set by selecting the beam splitter and thus a detector noise can be minimized. This allows a higher resolution of the substance concentrations to be determined.
  • Fig. 1a is a three-dimensional representation of an optical waveguide
  • Fig. 1 b is a three-dimensional representation of an optical waveguide
  • 2a is a plan view of a light source unit comprising four monochromatic light sources
  • 2b is a sketch of a detail of a far field at the output of a first optical waveguide with a first structuring
  • 3a shows a cross-section of an inventive absorption spectroscopic sensor arrangement with a sketch of a beam path of a light emitted by a light source unit light
  • 3b shows a cross section of an inventive absorption spectroscopic sensor arrangement with a sketch of a beam path of one of
  • Light source unit radiated light
  • FIG. 3c shows a cross-section of an inventive absorption spectroscopic sensor arrangement with a sketch of a beam path of a light emitted by a light source unit light with a plurality of reflection elements
  • Fig. 4 is a flowchart of a method for determining a
  • Fig. 1a shows a three-dimensional representation of an optical waveguide 4 having a structuring.
  • the optical waveguide 4 has a first surface F1 and a second surface F2.
  • the optical axis OA runs along a
  • the shape of the optical waveguide 4 corresponds to that of a truncated cone.
  • the first surface F1 and the second surface F2 each describe a circle, wherein the radii differ.
  • the connecting line of the center of the first surface F1 and the center of the second surface F2 forms an axis of symmetry of the truncated cone.
  • This symmetry axis in this embodiment corresponds to the optical axis OA of the optical waveguide 4.
  • a cross-sectional area Q of the optical waveguide 4 is a sectional plane through the optical waveguide 4, which intersects the optical axis at a right angle.
  • the optical waveguide 4 differs from a conventional one
  • Optical fiber in that it has a structuring. That is, an area and / or a shape of the cross-sectional area Q changes along the optical axis OA.
  • the structuring is shown in that the surface area of the cross-sectional area Q along the optical axis OA, starting from the first surface F1 continuously increased, since the radius of the circular cross-sectional area Q along the optical axis OA from the radius of the first surface F1 changes to the radius of the second surface F2.
  • Typical dimensions for the optical waveguide 4 of Fig. 1 a are
  • the optical waveguide 4 may, for example, have a length of 50 mm.
  • 1 b shows a three-dimensional representation of an optical waveguide 4 which has a structuring.
  • the first surface F1 and the second surface F2 each describe a rectangle, the rectangles differing in circumference.
  • the first surface F1 and the second surface F2 each lie in a plane that is parallel to the x-y plane.
  • Cross-sectional area Q along the optical axis OA changes.
  • the first surface F1 can be chosen square with an edge length of 1 mm so that a rectangle with 1 mm x 1 mm results.
  • the edge length is for example 3 mm, so that a rectangle with 3 mm x 3 mm results.
  • the optical waveguide 4 may, for example, have a length of 50 mm.
  • the first surface F1 and the second surface F2 are not limited to the symmetrical geometries described above. In general, they can have any geometry. By structuring the
  • Light guiding characteristics include, among other things, how a wavelength distribution and a radiation characteristic of various light sources change as they pass through the optical waveguide 4 (eg, homogenization of wavelengths and radiation characteristics), in which The way in which the divergence behavior of the light is influenced (for example, reduction of the divergence) and how efficiently light is coupled into the optical waveguide 4.
  • a wavelength distribution and a radiation characteristic of various light sources change as they pass through the optical waveguide 4
  • the way in which the divergence behavior of the light is influenced (for example, reduction of the divergence) and how efficiently light is coupled into the optical waveguide 4.
  • the optical waveguide 4 should have a smooth surface. In a variant, however, the surface may also have at least partially a profile.
  • the ratio of the first surface F1 and the second surface F2 determines in a first approximation the reduction of the divergence of the light when passing through the optical waveguide 4. Strongly coupled divergent light in Figure 1b at the first surface F1 in the optical waveguide 4, the result Light on the second surface F2 a lower divergence.
  • the high divergence in a small space is thus transformed into the smaller divergence over a large area.
  • the structuring of the optical waveguide 4 can thus be used to set the divergence behavior of the light. The structuring can thus, depending on the requirement for the optimization of individual or all
  • Light guiding properties of the optical waveguide 4 are used.
  • a dimensioning of the optical waveguide 4 comprises not only dimensions of the optical waveguide 4, but also a material of the optical waveguide 4.
  • the material used for the optical waveguide 4 may be, for example, glass, quartz glass or else
  • Plastics are used. In addition, to optimize a
  • the optical waveguide 4 has a core and a cladding surrounding the core.
  • the optical waveguide 4 may be formed as a waveguide.
  • the core is made of air or a vacuum forms the core and the surfaces are coated with a reflective material, such as aluminum
  • a light source unit 2 is shown in Fig. 2a. In this case, a light source unit 2 is shown. In this case, a light source unit 2 is shown. In this case, a light source unit 2 is shown. In this case, a light source unit 2 is shown. In this case, a light source unit 2 is shown. In this case, a light source unit 2 is shown. In this case, a light source unit 2 is shown. In this case, a light source unit 2 is shown. In this
  • the light source unit 2 comprises four monochromatic light sources G, B, J, R, which may be arranged on a common light source carrier 9a.
  • the light source carrier 9a is in a plane parallel to arranged xy plane.
  • LED Light emitting diode
  • laser diodes or specific gas discharges can be used as light sources.
  • the spectra of LEDs G, B, J, R are different.
  • the first LED G emits green light g.
  • Fig. 2a squares symbolize the green light g.
  • the second LED B emits blue light b.
  • Fig. 1 The first LED G emits green light g.
  • Fig. 2a squares symbolize the green light g.
  • the second LED B emits blue light b.
  • the light source unit 2 is now arranged in one embodiment on the first surface F1 of the optical waveguide 4 of Fig. 1 b, so that the light of the light source unit 2 couples into the optical waveguide 4, this passes through and the optical waveguide 4 on the second surface
  • FIG. 2b A section of the far field 6 of the optical waveguide 4 is shown in Fig. 2b using the symbols of Fig. 2a for the
  • Embodiment shows that the structuring of the optical waveguide 4, a homogenization of the wavelength distribution and the radiation characteristics of the various LEDs G, B, J, R is achieved.
  • the light guiding properties of the optical waveguide 4 are adjusted by the structuring.
  • the different light sources G, B, J, R of the light source unit 2 can be provided with additional filters, depending on the gas, in order to allow a better differentiation or dissolution of the substance concentrations. Usually, bandpass filters are used for this purpose.
  • R used to emit light in the ultra-violet range.
  • Fig. 3a shows an embodiment of an inventive
  • Absorption spectroscopic sensor arrangement 1 On a first side 15 of a measuring cell 5 are an evaluation unit 3 and a light source unit. 2 arranged. The distance between the evaluation unit 3 and the measuring cell 5 and between the light source unit 2 and the measuring cell 5 are identical here. This is not mandatory.
  • the evaluation unit 3 and the light source unit 2 are arranged side by side.
  • the light source unit 2 and the evaluation unit 3 each comprise a carrier 9a, 9b.
  • the light source unit 2 and the evaluation unit 3 may be arranged on a common carrier (not shown here).
  • the light source unit 2 may be, for example, that shown in FIG.
  • Light source unit 2 correspond.
  • the light sources G, B, J, R are selected according to their respective spectra, depending on which substance concentrations in the gaseous medium 17 are to be determined. In an exhaust line, for example, the concentrations of NO, NO2, NH3, O2 and / or SC ⁇ are of interest. To determine all concentrations, the light source unit comprises
  • light sources G, B, J, R with wavelengths of 227 nm for NO, 403 nm for NO2, 217 nm for NH3 and 285 nm for SO2.
  • a reference wavelength for the correction of, for example, impurities in the gaseous medium 17 for example, a
  • Light source G, B, J, R used with a wavelength of 595 nm or 285 nm.
  • At least one light source G, B, J, R is required per substance concentration that is to be detected. If one
  • a first optical waveguide 4 a is arranged on the first side 15 of the measuring cell 5 between the light source unit 2 and the measuring cell 5.
  • the first optical waveguide 4a forms a first light guide unit 10a.
  • the first optical waveguide 4a has a structuring.
  • the first optical waveguide 4a may be structured and dimensioned in the manner shown in FIG. 1a or FIG. 1b. The structuring will generally chosen so that the first optical waveguide 4a for the
  • Light source unit 2 is arranged in the embodiment shown in Fig. 3a on the first surface Fl of the first optical waveguide 4a.
  • Light source unit 2 for example, by means of an adhesive
  • a beam splitter 7 is arranged in FIG. 3a. If the light 100 emitted by the light source unit 2, after passing through the first optical waveguide 4a, falls on this beam splitter 7, a first light component 102 is reflected and a second light component 101 is transmitted. The division ratio between the first light portion 102 and the second light portion 101 can be adjusted via the choice of the beam splitter.
  • the beam splitter 7 may have a partial and / or thin aluminum coating and / or a rhodium coating or dielectric
  • Coatings are realized.
  • the coatings can be applied directly to the second surfaces F2 of the optical waveguides 4a, 4b. Is the refractive index difference at an output (second area F2) of the first
  • Optical waveguide 4a large, so that the light reflected by Fresnel reflection 102 is sufficient for a reference measurement, so can be dispensed with the beam splitter 7.
  • the first light portion 102 is reflected and passes through the first
  • Optical fiber 4a again. Since evaluation unit 3 and light source unit 2 are arranged next to one another, the first light component 102 is fed via the first optical waveguide 4 a to the evaluation unit. There he is detected and as
  • Reference detector have.
  • the second light portion 101 is at the second surface F2 of the first
  • Optical waveguide 4a transmits and thus enters the measuring cell 5 a.
  • the measuring cell 5 comprises in In this embodiment, a tube with porous walls, through which the gas can penetrate into the measuring cell 5, wherein impurities such as soot in the exhaust system of a motor vehicle can be filtered out when passing through the porous walls.
  • the second light component 101 passes through the measuring cell 5.
  • the gaseous medium 17 contained therein absorbs different wavelengths, which the second light component 101 comprises, depending on the substance composition. The absorption differs depending on the composition of the gaseous medium 17 and depending on how high the concentrations of the various substances in the gaseous medium 17 are.
  • the second light portion 101 strikes a reflection unit 13.
  • the reflection unit 13 comprises a shaped mirror 8, which is arranged inside the measuring cell 5 on a second side 16 of the measuring cell 5. It has a concave curvature.
  • a surface shape of the mirror 8 can be optimized for maximizing efficiency or ruggedness.
  • the surface form may be spherical or aspherical or may be formed by a freeform surface.
  • mirror materials for example molybdenum, rhodium, aluminum or aluminum-aluminum oxide can be used. These materials offer high reflectivities in the UV range.
  • the second light portion 101 is reflected at the mirror 8 and passes through the measuring cell as a reflected second light portion 103 again. This prolongs an optical path which the light 101, 103 passes through in the measuring cell 5.
  • the mirror 8 deflects the second light component 101, so that it enters a second optical waveguide 4b.
  • the second optical waveguide 4b is arranged on the first side 15 of the measuring cell 5 between the evaluation unit 3 and the measuring cell 5.
  • the second optical waveguide 4b forms a second light guide unit 10b.
  • the second optical waveguide 4b has a structuring.
  • the second optical waveguide 4b may be structured in the manner shown in FIG. 1a or 1b. The structuring is generally chosen so that the second
  • Fiber optic 4b has required for the application Lichterseigenschaften.
  • the first optical waveguide 4a and the second optical waveguide 10b are of identical construction, ie they are identical in terms of structuring and dimensioning.
  • the reflected second light portion 103 leaves the measuring cell 5 and enters the second optical waveguide 4b through the surface F2 of the second optical waveguide 4b.
  • the beam splitter 7 is also formed on the second surface F2 of the second optical waveguide 4b.
  • the reflected second light component 103 that is to say the light coming from the measuring cell 5, is supplied to the evaluation unit 3 via the second optical waveguide 4b.
  • Evaluation unit 3 is arranged at least partially on the first surface Fl of the second optical waveguide 4b. In the evaluation unit 3, the reflected second light portion 103 is detected. A light component reflected by the beam splitter 7 is reflected back into the measuring cell 5, whereby the optical path for this light component increases.
  • reflection elements 8a, 8b can be arranged on the surface opposite the mirror 8c within the measuring cell 5.
  • the mirror 8c and the reflection elements 8a, 8b together form the reflection unit 13.
  • reflection elements 8a, 8b further mirrors, for example identical to the mirror 8c, can be arranged in the measuring cell 5. All mirror surfaces are formed so that multiple reflections of the second light portion 101 in the measuring cell and the reflected second light portion 103 can couple into the second optical waveguide 4b.
  • Beam path of two beams from the second light portion 101 is exemplified in Fig. 3c. Thereby, the optical path of the second light portion 101 is increased. Thus, either a higher resolution with the same size can be achieved or the size can be reduced at the same resolution.
  • FIG. 3b shows a similar construction to the absorption spectroscopic sensor arrangement 1 in FIG. 3a.
  • the second optical waveguide 4b is designed without structuring. Input and output of the second optical waveguide 4b, for example, a circular
  • the second optical waveguide 4b in this case has a length of about 50 mm.
  • the beam splitter 7 can also be formed here.
  • a temperature control unit 12 is arranged on the evaluation unit 3.
  • the temperature control unit 12 includes in this
  • Embodiment a Peltier element 11.
  • the thermoelectric element a Peltier element 11.
  • Temperature control unit 12 include a control unit 18. This allows active temperature control.
  • the temperature control unit 12 may be particularly advantageous in the absorption spectroscopy of exhaust gases to enhance the function of temperature-sensitive elements, such as e.g. LEDs in the light source unit 2 or detectors in the evaluation unit 3, in environments with high heat generation or strong temperature fluctuations, such. in the exhaust system of internal combustion engines.
  • temperature control unit 12 may also comprise a plurality of Peltier elements 11 which at different elements 2, 10a, 10b, 3, 5 of
  • absorption spectroscopic sensor arrangement 1 are arranged.
  • Elements 2, 10a, 10b, 3, 5 of the absorption spectroscopic sensor arrangement 1 comprise the light source unit 2, the first light-guiding optics 10a, the second light-guiding optics 10b, the evaluation unit 3 and the measuring cell 5
  • the temperature control unit 12 may also comprise various heating and / or cooling elements, which are arranged on one or more of the elements 2, 10a, 10b, 3, 5 of the absorption spectroscopic sensor arrangement 1.
  • the temperature control unit 12 may be a heating and / or cooling element such as a Peltier element, a fan or a passive cooling.
  • the second optical waveguide 4 b can be omitted in each case if the light sources G, B, Y, R each have one into the light sources G, B, Y, R
  • the second corresponds Light guiding optics (10b) the first optical waveguide 4a.
  • the light 103 coming from the measuring cell is fed to the evaluation unit 3 in the first optical waveguide 4a.
  • the absorption spectroscopic sensor arrangement 1 is designed so that the first light portion 102 is not detected as a reference signal, but the signal from the integrated reference detectors is used as a reference signal.
  • FIG. 4 describes a method for determining the substance concentration in the gaseous medium 17 by means of the evaluation unit 3.
  • the light 103 coming from the measuring cell is detected by a measuring detector 14a.
  • the first light portion 102 is incident on a reference detector 14b.
  • This detector detects the power of the first light component 102 at the same time as the measurement detector 14a.
  • the reference detector 14b transmits a reference signal 201 to the comparison unit
  • the reference signal 201 is a measure of the light 100 emitted by the light source unit 2. If the intensity of the light source unit 2 changes, a resulting measurement error may be taken into account
  • Reference signal 201 are eliminated in the evaluation unit 3.
  • the intensity of the light source unit 2 may vary temporally and / or locally, which would lead to a falsification of the measurement signal 200.
  • the influence of this effect can be reduced or eliminated. It results in a corrected
  • Measurement signal In a memory unit 19, comparison data 202 are stored. In a calibration measurement, for example, a first measurement is carried out in which the substance concentration of the substance to be determined in the gaseous medium 17 is zero and a second measurement in a known
  • calibration measurement can be any substance concentration of the substance to be determined from the
  • Measurement data are determined.
  • the data of the calibration measurements made for each substance to be examined are stored in the memory unit 19 as comparison data 202.
  • the corrected measurement signal is in the
  • Comparison unit VE evaluated using the comparison data 202 is arranged in the evaluation unit 3.
  • the memory may also be arranged outside the evaluation unit 3 (eg cloud).
  • An output signal 203 comprises the detected ones
  • This output signal 203 is transmitted in the exemplary embodiment shown in FIG. 4 to an output unit AE.
  • the output signals 203 from the exhaust gas line can be made available to a driver of the motor vehicle by means of the output unit AE (eg display).
  • the output unit AE eg display
  • Motor vehicle can be determined with their respective concentration.
  • the evaluation unit 3 comprises a substrate 9b, in which in one embodiment a
  • Evaluation circuit can be integrated. Alternatively, the evaluation of the
  • Signals 200, 201 in an external device For this purpose, the signals 200, 201 are transmitted to this device.
  • a Lichteinstrahlraum 20 is shown in Fig. 5.
  • the measuring detector 14a and the reference detector 14b are formed as radiation sensors on the substrate 9b.
  • the detectors 14a, 14b are designed to detect radiation. For example, you can
  • Photodiodes, avalanche photodiodes (APDs), single photon avalanche photodiodes (SPADs), or an array including multiple radiation sensors may be used as the measurement detector 14a and reference detector 14b.
  • An embodiment not shown here comprises a third optical waveguide which is arranged between the measuring cell 5 and the evaluation unit 3 parallel to the other optical waveguides 4a, 4b.
  • the first light component 102 is not supplied via the first optical waveguide 4a to the evaluation unit 3, but via the third optical waveguide.
  • the first light component 102 reflected at the output of the first optical waveguide 4a is emitted at the output of the first optical waveguide 4a first optical waveguide 4a coupled into the third optical waveguide and guided to the evaluation unit 3.
  • the third optical waveguide may, for example, identical to one or both of the first and the second
  • Be optical waveguide 4a, 4b Be optical waveguide 4a, 4b.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine absorptionsspektroskopische Sensoranordnung (1), umfassend -eine Auswerteeinheit (3), die zur Bestimmung einer Stoffkonzentration in einem gasförmigen Medium ausgelegt ist, -eine Messzelle (5), die dazu ausgebildet ist, das zu untersuchende gasförmige Medium aufzunehmen, -eine erste Lichtführungsoptik (10a), die dazu ausgebildet ist, ein von einer Lichtquelleneinheit(2) abgestrahltes Licht (100) der Messzelle (5) zuzuleiten und -eine zweite Lichtführungsoptik (10b), die dazu ausgebildet ist, ein von der Messzelle (5) kommendes Licht (103) der Auswerteeinheit (3) zuzuleiten, wobei die erste Lichtführungsoptik (10a) einen ersten Lichtwellenleiter (4a) umfasst, wobei -der erste Lichtwellenleiter (4a) infolge einer ersten Dimensionierung eine Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen aufweist und -der erste Lichtwellenleiter (4a) eine erste Strukturierung aufweist, wobei Lichtführungseigenschaften des ersten Lichtwellenleiters (4a) über die erste Strukturierung einstellbar sind.

Description

Beschreibung Titel
Absorptionsspektroskopische Sensoranordnung und Verfahren zur Bestimmung einer Stoffkonzentration in einem gasförmigen Medium
Die Erfindung betrifft eine absorptionsspektroskopische Sensoranordnung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Stoffkonzentration in einem gasförmigen Medium.
Stand der Technik
In DE 102008064173 AI sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Stoffkonzentration in gasförmigen oder fluiden Medien über optische Spektroskopie mittels breitbandiger Lichtquellen beschrieben. Das von den Breitbandlichtquellen abgestrahlte Licht wird über Lichtführungsoptiken, beispielsweise Lichtwellenleiter, durch die Messstrecke der
selbstreferenzierenden Messzelle oder nur teilweise durch eine Messzelle einem Messdetektor zugeleitet. Zum Teil wird das von den Breitbandlichtquellen abgestrahlte Licht über einen Referenzpfad, der einen Lichtwellenleiter umfasst, einem Referenzdetektor zugeleitet. Zur Homogenisierung der zeitlichen und örtlich schwankenden Abstrahlcharakteristik der Breitbandlichtquellen ist jedem Lichtwellenleiter ein Modenkoppler zugeordnet. Zur thermischen Entkopplung werden die optischen Elemente (Lichtquellen, Detektoren, Koppler, etc.) in einem Abstand zur Messzelle angeordnet. Die Messzelle und die optischen Elemente werden über herkömmliche, flexible Lichtwellenleiter miteinander verbunden. Die Modenbesetzung dieser Lichtwellenleiter hängt unter anderem von einer Verformung der Lichtwellenleiter ab.
Kern und Vorteile der Erfindung Die Erfindung geht von einer absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung und einem Verfahren zur Bestimmung einer Stoffkonzentration in einem gasförmigen Medium nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche aus. Die erfindungsgemäße absorptionsspektroskopische Sensoranordnung kann beispielsweise als Abgassensor eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden.
Hierzu kann die absorptionsspektroskopische Sensoranordnung zumindest teilweise in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs platziert werden. Mittels bekannter Absorptionsspektren können in den Abgasen des Kraftfahrzeugs unter Verwendung der erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen
Sensoranordnung NO und NO2 unterschieden und deren jeweilige Konzentration ermittelt werden. Zudem können unter Verwendung der erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung auch weitere Gase wie beispielsweise NH3, O2 oder SO2 in den Abgasen des Kraftfahrzeugs mit ihrer jeweiligen Konzentration unabhängig voneinander bestimmt werden.
Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs ist, dass die erfindungsgemäße absorptionsspektroskopische Sensoranordnung eine einfache, kompakte und robuste Implementierung verschiedener optischer Funktionen ermöglicht, wobei die optischen Funktionen beispielsweise eine
Homogenisierung einer Wellenlängenverteilung und einer Abstrahlcharakteristik der verwendeten Lichtquellen, eine Reduktion einer Lichtdivergenz und eine effiziente Lichteinkopplung umfassen können. Zudem können
Solarisationseffekte aufgrund der kompakten Bauform reduziert werden, was eine Erhöhung der Effizienz der erfindungsgemäßen
absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung ermöglicht.
Dies wird erreicht mit einer absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung, umfassend eine Auswerteeinheit, die zur Bestimmung einer Stoffkonzentration in einem gasförmigen Medium ausgelegt ist, eine Messzelle, die dazu ausgebildet ist, das zu untersuchende gasförmige Medium aufzunehmen, eine erste
Lichtführungsoptik, die dazu ausgebildet ist, das von einer Lichtquelleneinheit abgestrahlte Licht der Messzelle zuzuleiten und eine zweite Lichtführungsoptik, die dazu ausgebildet ist, das von der Messzelle kommende Licht der
Auswerteeinheit zuzuleiten. Die erfindungsgemäße absorptionsspektroskopische Sensoranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Lichtführungsoptik einen ersten Lichtwellenleiter umfasst. Eine erste Dimensionierung des ersten Lichtwellenleiters ist dergestalt, dass der erste Lichtwellenleiter robust gegenüber Umwelteinflüssen ist. Umwelteinflüsse in einem Abgasstrang eines
Kraftfahrzeugs sind beispielsweise extreme Temperaturschwankungen und hohe
Temperaturen, die bei der Brennstoffverbrennung entstehen, sowie chemische Einflüsse, beispielsweise durch bei der Verbrennung entstehende Gase und/oder mechanische Einflüsse, wie Vibration und Verformung. Zudem weist der erste Lichtwellenleiter eine erste Strukturierung auf, wobei Lichtführungseigenschaften des ersten Lichtwellenleiters über die erste Strukturierung einstellbar sind.
Vorteilhaft ist, das der Aufbau der erfindungsgemäßen
absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung eine Einsparung optischer Elemente ermöglicht, da der erste Lichtwellenleiter durch die erste
Dimensionierung und die erste Strukturierung dazu ausgelegt ist, mindestens eine aus mehreren optischen Funktionen, wie beispielsweise Homogenisierung einer Wellenlängenverteilung und einer Abstrahlcharakteristik der verwendeten Lichtquellen, eine Reduktion von Lichtdivergenz und eine effiziente
Lichteinkopplung zu erfüllen. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau und eine kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen
absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung besteht darin, dass eine Reduzierung einer thermischen Belastung von
Halbleiterbauelemente, die beispielsweise in der Auswerteeinheit und/oder der Lichtquelleneinheit enthalten sein können, ermöglicht wird. So ist es aufgrund des Aufbaus der erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen
Sensoranordnung beispielsweise möglich die Messzelle direkt im Abgasstrom zu platzieren, wo hohe Temperaturen herrschen und die temperaturempfindlicheren Elemente wie die Lichtquelleneinheit und die Auswerteeinheit in Bereichen geringerer Temperatur anzuordnen. Die Lichtquelleneinheit und die
Auswerteeinheit sind über Lichtführungsoptiken mit der Messzelle verbunden, dabei können die Lichtquelleneinheit und die Auswerteinheit direkt mit den Lichtführungsoptiken verbunden sein oder beabstandet von den
Lichtführungsoptiken angeordnet sein (beispielsweise durch eine Halterung). Durch die Lichtführungsoptiken kann das Licht effizient über größere Distanzen geführt werden. Weiterhin weist die erfindungsgemäße
absorptionsspektroskopische Sensoranordnung aufgrund der ersten Dimensionierung des ersten Lichtwellenleiters vorteilhafterweise eine geringe Sensitivität gegenüber Temperaturänderungen und gegenüber mechanischer Beanspruchung, wie sie beispielsweise im Zusammenhang mit Vibrationen auftritt, auf.
Vorzugsweise umfasst die zweite Lichtführungsoptik einen zweiten
Lichtwellenleiter, wobei eine zweite Dimensionierung des zweiten
Lichtwellenleiters dergestalt ist, dass der zweite Lichtwellenleiter robust gegenüber Umwelteinflüssen ist. In einer Ausführungsform weist der zweite Lichtwellenleiter eine zweite Strukturierung auf, wobei weitere
Lichtführungseigenschaften des zweiten Lichtwellenleiters über die zweite Strukturierung einstellbar sind. Vorteilhafterweise ist somit neben den vorstehend genannten Vorteilen, die sich aus der Dimensionierung und der Strukturierung eines Lichtwellenleiters ergeben, eine effiziente Lichteinkopplung des von der Messzelle kommenden Lichts in die zweite Lichtführungsoptik möglich, wodurch eine höhere Genauigkeit und eine höhere Sensitivität der erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung erzielt wird. Aufgrund der Strukturierung kann vorteilhafterweise eine Detektorfläche zur Detektion des Lichts verringert werden.
Die Robustheit umfasst sowohl, die mechanische und chemische Stabilität des ersten Lichtwellenleiters bzw. des zweiten Lichtwellenleiters als auch, dass typische Störungen wie Temperaturausdehnung, Verformungen und Vibrationen, welche typischerweise im Bereich von 1 μηη bis 100 μηη liegen, kaum Einfluss auf die Signale der Lichtwellenleiter haben. Die Apertur des zweiten
Lichtwellenleiters ist beispielsweise größer als 1 mm, was mindestens eine Größenordnung von typischen Störungen entfernt ist.
In einer Ausführungsform emittiert die Lichtquelleneinheit ein breitbandiges Spektrum. Insbesondere umfasst die Lichtquelleneinheit in einer
Ausführungsform eine Anordnung mehrerer monochromatischer Lichtquellen, die zumindest teilweise unterschiedliche Spektren aufweisen. Die Wellenlängen der monochromatischen Lichtquellen werden so gewählt, dass sie die Wellenlängen umfassen, die charakteristisch für das Absorptionsspektrum des Stoffes sind, dessen Konzentration in dem gasförmigen Medium untersucht werden soll.
Vorteilhaft ist, dass durch die Verwendung mehrerer monochromatischer Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge gleichzeitig die Konzentrationen mehrerer Stoffe in dem gasförmigen Medium ermittelt werden können. Zusätzlich kann eine weitere monochromatische Quelle zur Erfassung sonstiger Verluste, wie sie beispielsweise durch Verunreinigungen im gasförmigen Medium auftreten, verwendet werden.
Vorzugsweise wird eine aktive oder passive Temperatursteuereinheit an zumindest einem Element der absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung angeordnet. Die Elemente der absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung umfassen die Lichtquelleneinheit, die erste Lichtführungsoptik, die zweite
Lichtführungsoptik, die Auswerteeinheit und die Messzelle. Dadurch wird vorteilhafterweise eine Erhöhung der spektralen Empfindlichkeit der
Lichtquelleneinheit ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ist, dass die
erfindungsgemäße Strahlungssensoranordnung in einem größeren
Temperaturbereich einsetzbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Messzelle eine Reflexionseinheit. Somit ist es möglich einen optischen Weg des von der Lichtquelleneinheit abgestrahlten Lichts in der Messzelle zu vergrößern und damit vorteilhafterweise die Auflösung der erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung bei gleichbleibender Baugröße zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil ist das bei gleicher Auflösung eine geringere Baugröße, als bei einer erfindungsgemäßen
Strahlungssensoranordnung ohne Reflexionseinheit ermöglicht wird. Zudem ist es möglich, Lichtquelleneinheit und Auswerteeinheit auf einer gemeinsamen Seite bezüglich der Messzelle anzuordnen, da der Lichtstrahl in der Messzelle entsprechend abgelenkt werden kann, sodass er der Auswerteeinheit zugeleitet wird. Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise ein sehr kompakter Aufbau.
Insbesondere umfasst die Reflexionseinheit mehrere Reflexionselemente, die so angeordnet und/oder geformt sind, dass ein in die Messzelle eintretender
Lichtstrahl in der Messzelle mehrfach reflektiert wird, bevor der Lichtstrahl der Auswerteeinheit zugeleitet wird. Dadurch ist vorteilhafterweise eine weitere Vergrößerung des optischen Weges möglich. Daraus ergeben sich die vorstehend beschriebenen Vorteile bezüglich Auflösung und Baugröße.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Strahlungssensoranordnung werden ein erster Lichtanteil des in die erste Lichtführungsoptik eingekoppelten Lichts der Auswerteeinheit zugeleitet und ein zweiter Lichtanteil des in die erste Lichtführungsoptik eingekoppelten Lichts der Messzelle zugeleitet. Ein Vorteil ist, dass somit ein Referenzieren der Leistung der Lichtquelleneinheit ermöglicht wird, sodass Fehler bei der Bestimmung der Stoffkonzentration in dem gasförmigen Medium, die auf Intensitätsschwankungen der Lichtquelleneinheit beruhen, vermieden werden können. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Genauigkeit der erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung.
In einer Ausführungsform wird ein Strahlteiler zwischen der ersten
Lichtführungsoptik und der Messzelle angeordnet. Somit kann der erste
Lichtanteil durch Reflexion am Strahlteiler über die erste Lichtführungsoptik der Auswerteeinheit zugeleitet werden und der zweite Lichtanteil durch Transmission am Strahlteiler der Messzelle zugeleitet werden. Ein Vorteil ist, dass somit ein Teilungsverhältnis in den ersten Lichtanteil und den zweiten Lichtanteil durch Wahl des Strahlteilers eingestellt werden kann und somit ein Detektorrauschen minimiert werden kann. Dies ermöglicht eine höhere Auflösung der zu bestimmenden Stoffkonzentrationen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche
Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende
Elemente.
Es zeigen
Fig. 1 a eine dreidimensionale Darstellung eines Lichtwellenleiters mit
Strukturierung,
Fig. 1 b eine dreidimensionale Darstellung eines Lichtwellenleiters mit
Strukturierung,
Fig. 2a eine Draufsicht auf eine Lichtquelleneinheit, die vier monochromatische Lichtquellen umfasst,
Fig. 2b eine Skizze eines Ausschnitts eines Fernfeldes am Ausgang eines ersten Lichtwellenleiters mit einer ersten Strukturierung, Fig. 3a ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung mit einer Skizze einer Strahlenverlaufs eines von einer Lichtquelleneinheit abgestrahlten Lichts,
Fig. 3b ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung mit einer Skizze eines Strahlenverlaufs eines von einer
Lichtquelleneinheit abgestrahlten Lichts,
Fig. 3c ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung mit einer Skizze eines Strahlenverlaufs eines von einer Lichtquelleneinheit abgestrahlten Lichts mit mehreren Reflexionselementen, Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer
Stoffkonzentration mittels einer erfindungsgemäßen
absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung und
Fig. 5 einen Querschnitt einer Auswerteeinheit einer erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 a zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines Lichtwellenleiters 4, der eine Strukturierung aufweist. Der Lichtwellenleiter 4 weist eine erste Fläche F1 und eine zweite Fläche F2 auf. Die optische Achse OA verläuft entlang einer
Verbindungsgeraden der ersten Fläche F1 und der zweiten Fläche F2. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Form des Lichtwellenleiters 4 der eines Kegelstumpfs. Die erste Fläche F1 und die zweite Fläche F2 beschreiben jeweils einen Kreis, wobei sich die Radien unterscheiden. Die Verbindungsgerade des Mittelpunkts der ersten Fläche F1 und der Mittelpunkt der zweiten Fläche F2 bildet eine Symmetrieachse des Kegelstumpfs. Diese Symmetrieachse entspricht in diesem Ausführungsbeispiel der optischen Achse OA des Lichtwellenleiters 4. Eine Querschnittsfläche Q des Lichtwellenleiters 4 ist eine Schnittebene durch den Lichtwellenleiter 4, die die optische Achse in einem rechten Winkel schneidet. Der Lichtwellenleiter 4 unterscheidet sich von einem herkömmlichen
Lichtwellenleiter darin, dass er eine Strukturierung aufweist. Das heißt, dass sich ein Flächeninhalt und/ oder eine Form der Querschnittsfläche Q entlang der optischen Achse OA ändert. In diesem Ausführungsbeispiel zeigt sich die Strukturierung darin, dass sich der Flächeninhalt der Querschnittsfläche Q entlang der optischen Achse OA ausgehend von der ersten Fläche F1 kontinuierlich vergrößert, da sich der Radius der kreisförmigen Querschnittsfläche Q entlang der optischen Achse OA vom Radius der ersten Fläche F1 hin zum Radius der zweiten Fläche F2 verändert. Typische Abmessungen für den Lichtwellenleiter 4 aus Fig. 1 a sind
beispielsweise ein Durchmesser von 1 mm für die erste Fläche F1 und ein Durchmesser von 3 mm für die zweite Fläche F2. Der Lichtwellenleiter 4 kann dabei beispielsweise eine Länge von 50 mm aufweisen. Fig. 1 b zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines Lichtwellenleiters 4, der eine Strukturierung aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel beschreiben die erste Fläche F1 und die zweite Fläche F2 jeweils ein Rechteck, wobei sich die Rechtecke im Umfang unterscheiden. Die erste Fläche F1 und die zweite Fläche F2 liegen jeweils in einer Ebene, die parallel zur x-y-Ebene verläuft. Die
Strukturierung des Lichtwellenleiters 4 zeigt sich darin, dass sich der Umfang der
Querschnittsfläche Q entlang der optischen Achse OA ändert.
Typische Abmessungen für den Lichtwellenleiter 4 aus Fig. 1 b sind nachfolgend genannt. Die erste Fläche F1 kann quadratisch mit einer Kantenlänge von 1 mm gewählt werden sodass sich ein Rechteck mit 1 mm x 1 mm ergibt. Die zweite
Fläche F2 kann ebenfalls quadratisch gewählt werden. Die Kantenlänge beträgt beispielsweise 3 mm, sodass sich ein Rechteck mit 3 mm x 3 mm ergibt. Der Lichtwellenleiter 4 kann dabei beispielsweise eine Länge von 50 mm aufweisen. Bei der Verwendung von kleinen Lichtquelleneinheiten 2 können die
Abmessungen entsprechend verkleinert bzw. angepasst werden.
Die erste Fläche F1 und der zweite Fläche F2 sind nicht auf die vorstehend beschriebenen, symmetrischen Geometrien beschränkt. Im Allgemeinen können sie eine beliebige Geometrie aufweisen. Durch die Strukturierung des
Lichtwellenleiters 4 ist es möglich Lichtführungseigenschaften des
Lichtwellenleiters einzustellen. Lichtführungseigenschaften umfassen unter anderem, wie sich eine Wellenlängenverteilung und eine Abstrahlcharakteristik verschiedener Lichtquellen beim Durchlaufen des Lichtwellenleiters 4 verändert (z. B. Homogenisierung von Wellenlängen und Abstrahlcharakteristik), in welcher Weise das Divergenzverhalten des Lichts beeinflusst wird (z. B. Reduktion der Divergenz) und wie effizient Licht in den Lichtwellenleiter 4 einkoppelt. Für eine effiziente Lichtführung und eine effiziente Homogenisierung der
Wellenlängenverteilung und der Abstrahlcharakteristik verschiedener
Lichtquellen sollte der Lichtwellenleiter 4 eine glatte Oberfläche aufweisen. In einer Variante kann die Oberfläche aber auch zumindest teilweise ein Profil aufweisen. Das Verhältnis der ersten Fläche F1 und der zweiten Fläche F2 bestimmt in erster Näherung die Reduktion der Divergenz des Lichts beim Durchlaufen des Lichtwellenleiters 4. Koppelt stark divergentes Licht in Figur 1 b an der ersten Fläche F1 in den Lichtwellenleiter 4 ein, so ergibt weist das Licht an der zweiten Fläche F2 eine geringere Divergenz auf. Die hohe Divergenz auf kleinem Raum wird also in die geringere Divergenz auf großer Fläche transformiert. Über die Strukturierung des Lichtwellenleiters 4 kann somit das Divergenzverhalten des Lichts eingestellt werden. Die Strukturierung kann somit je nach Anforderung zur Optimierung einzelner oder aller
Lichtführungseigenschaften des Lichtwellenleiters 4 eingesetzt werden.
Eine Dimensionierung des Lichtwellenleiters 4 umfasst neben Abmessungen des Lichtwellenleiters 4, auch ein Material des Lichtwellenleiters 4. Als Material für den Lichtwellenleiter 4 können beispielsweise Glas, Quarzglas oder auch
Kunststoffe eingesetzt werden. Zusätzlich kann zur Optimierung eines
Brechzahlunterschiedes zwischen dem Lichtwellenleiter 4 und der umgebenden Atmosphäre eine Ummantelung angeordnet werden. In diesem Fall weist der Lichtwellenleiter 4 einen Kern und einen den Kern umschließenden Mantel auf. Ein hoher Brechzahlunterschied zwischen dem Kern und dem Mantel bzw.
zwischen dem Kern und der umgebenden Atmosphäre ermöglicht eine effiziente Lichteinkopplung. Der Lichtwellenleiter 4 kann als Hohlleiter ausgebildet sein. Hierbei ist der Kern aus Luft oder ein Vakuum bildet den Kern und die Flächen werden mit einem reflektierenden Material, wie beispielsweise Aluminium beschichtet
In Fig. 2a ist eine Lichtquelleneinheit 2 dargestellt. In diesem
Ausführungsbeispiel umfasst die Lichtquelleneinheit 2 vier monochromatische Lichtquellen G, B, J, R, die auf einem gemeinsamen Lichtquellenträger 9a angeordnet sein können. Der Lichtquellenträger 9a ist in einer Ebene parallel zur x-y-Ebene angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel werden die vier monochromatischen Lichtquellen G, B, J, R durch vier Leuchtdioden G, B, J, R (LED = Light emitting diode) realisiert. Alternativ können als Lichtquellen beispielsweise auch Laserdioden oder spezifische Gasentladungen verwendet werden. Die Spektren der LEDs G, B, J, R unterscheiden sich voneinander. Die erste LED G emittiert grünes Licht g. In Fig. 2a symbolisieren Quadrate das grüne Licht g. Die zweite LED B emittiert blaues Licht b. In Fig. 2a symbolisieren unausgefüllte Kreise das blaue Licht b. Die dritte LED J emittiert gelbes Licht j. In Fig. 2a symbolisieren schwarze Dreiecke das gelbe Licht j. Die vierte LED R emittiert rotes Licht r. In Fig. 2a symbolisieren schwarze Kreise das rote Licht r.
Anhand der Symbole für das verschiedenfarbige Licht g, b, j, r wird die räumliche Trennung nach Lichtfarben deutlich. Die Lichtquelleneinheit 2 wird nun in einem Ausführungsbeispiel auf der ersten Fläche F1 des Lichtwellenleiters 4 aus Fig. 1 b angeordnet, sodass das Licht der Lichtquelleneinheit 2 in den Lichtwellenleiter 4 einkoppelt, diesen durchläuft und den Lichtwellenleiter 4 an der zweiten Fläche
F2 wieder verlässt. Ein Ausschnitt des Fernfelds 6 des Lichtwellenleiters 4 ist in Fig. 2b unter der Verwendung der Symbole aus Fig. 2a für das
verschiedenfarbige Licht g, b, j, r skizziert. In Fig. 2a waren die Symbole noch räumlich entsprechend ihrer Zugehörigkeit getrennt. Nach Durchgang durch den Lichtwellenleiter 4 mit der Strukturierung ergibt sich im Fernfeld eine homogene
Verteilung des verschiedenfarbigen Lichts g, b, j, r, was in Fig. 2b symbolhaft durch eine homogene Verteilung der Symbole angedeutet ist. Dieses
Ausführungsbeispiel zeigt, dass durch die Strukturierung des Lichtwellenleiters 4 eine Homogenisierung der Wellenlängenverteilung und der Abstrahlcharakteristik der verschiedenen LEDs G, B, J, R erreicht wird. Die Lichtführungseigenschaften des Lichtwellenleiters 4 werden durch die Strukturierung eingestellt. Die verschiedenen Lichtquellen G, B, J, R der Lichtquelleneinheit 2 können je nach Gas mit zusätzlichen Filtern versehen werden, um eine bessere Differenzierung bzw. Auflösung der Stoffkonzentrationen zu ermöglichen. In der Regel werden hierfür Bandpassfilter verwendet. Insbesondere können auch Lichtquelle G, B, J,
R verwendet werden, die Licht im ultra-violett Bereich emittieren.
Fig. 3a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung 1 . Auf einer ersten Seite 15 einer Messzelle 5 sind eine Auswerteeinheit 3 und eine Lichtquelleneinheit 2 angeordnet. Der Abstand zwischen der Auswerteeinheit 3 und der Messzelle 5 sowie zwischen der Lichtquelleneinheit 2 und der Messzelle 5 stimmen hier überein. Dies ist nicht zwingend erforderlich. Die Auswerteeinheit 3 und die Lichtquelleneinheit 2 sind nebeneinander angeordnet. Die Lichtquelleneinheit 2 und die Auswerteeinheit 3 umfassen jeweils einen Träger 9a, 9b. In einer
Variante dieses Ausführungsbeispiels können die Lichtquelleneinheit 2 und die Auswerteeinheit 3 auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sein (hier nicht dargestellt). Die Lichtquelleneinheit 2 kann beispielsweise der in Fig. 2a gezeigten
Lichtquelleneinheit 2 entsprechen. Die Lichtquellen G, B, J, R werden nach ihren jeweiligen Spektren ausgewählt, abhängig davon welche Stoffkonzentrationen im gasförmigen Medium 17 ermittelt werden sollen. In einem Abgasstrang sind beispielsweise die Konzentrationen von NO, NO2, NH3, O2 und/oder SC^ von Interesse. Zur Bestimmung aller Konzentrationen umfasst die Lichtquelleneinheit
2 in diesem Fall Lichtquellen G, B, J, R mit Wellenlängen von 227 nm für NO, 403 nm für NO2, 217 nm für NH3 und 285 nm für SO2. Für eine Referenzmessung unter Verwendung einer Referenzwellenlänge zur Korrektur von beispielsweise Verunreinigungen im gasförmigen Medium 17 kann beispielsweise eine
Lichtquelle G, B, J, R mit einer Wellenlänge von 595 nm oder 285 nm verwendet.
Es wird davon ausgegangen, dass Verluste durch Verunreinigungen für alle Wellenlängen in etwa gleich groß sind.
Im Allgemeinen gilt, dass pro Stoffkonzentration, die detektiert werden soll, mindestens eine Lichtquelle G, B, J, R benötigt wird. Sofern eine
Referenzmessung zur Bestimmung von Verunreinigungen im gasförmigen Medium erfolgen soll wird mindestens eine weitere Lichtquelle G, B, J, R benötigt. In dem in Fig. 3a gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein erster Lichtwellenleiter 4a auf der ersten Seite 15 der Messzelle 5 zwischen der Lichtquelleneinheit 2 und der Messzelle 5 angeordnet. Der erste Lichtwellenleiter 4a bildet eine erste Lichtführungseinheit 10a. Der erste Lichtwellenleiter 4a weist eine Strukturierung auf. Beispielsweise kann der erste Lichtwellenleiter 4a in der in Fig. la oder Fig. lb gezeigten Weise strukturiert und dimensioniert sein. Die Strukturierung wird im Allgemeinen so gewählt, dass der erste Lichtwellenleiter 4a für die
Anwendung benötigte Lichtführungseigenschaften aufweist. Die
Lichtquelleneinheit 2 ist in dem in Fig. 3a gezeigten Ausführungsbeispiel auf der ersten Fläche Fl des ersten Lichtwellenleiters 4a angeordnet. Die
Lichtquelleneinheit 2 kann beispielsweise mittels eines Klebers einer
Fügeverbindung oder einer Halterung auf den ersten Lichtwellenleiter 4a aufgebracht werden. Auf der zweiten Fläche F2 des ersten Lichtwellenleiters 4a ist in Fig. 3a ein Strahlteiler 7 angeordnet. Fällt das von Lichtquelleneinheit 2 abgestrahlte Licht 100 nach Durchgang durch den ersten Lichtwellenleiter 4a auf diesen Strahlteiler 7, so wird ein erster Lichtanteil 102 reflektiert und ein zweiter Lichtanteil 101 transmittiert. Das Teilungsverhältnis zwischen erstem Lichtanteil 102 und zweitem Lichtanteil 101 kann über die Wahl des Strahlteilers eingestellt werden. Der Strahlteiler 7 kann über eine partielle und/oder dünne Aluminium Beschichtung und/oder eine Rhodium Beschichtung oder dielektrische
Beschichtungen realisiert werden. Die Beschichtungen können direkt auf die zweiten Flächen F2 der Lichtwellenleiter 4a, 4b aufgebracht werden. Ist der Brechzahlunterschied an einem Ausgang (zweite Fläche F2) des ersten
Lichtwellenleiters 4a groß, sodass das durch Fresnelreflexion reflektierte Licht 102 für eine Referenzmessung ausreicht, so kann auf den Strahlteiler 7 verzichtet werden.
Der erste Lichtanteil 102 wird reflektiert und durchläuft den ersten
Lichtwellenleiter 4a erneut. Da Auswerteeinheit 3 und Lichtquelleneinheit 2 nebeneinander angeordnet sind, wird der erste Lichtanteil 102 über den ersten Lichtwellenleiter 4a der Auswerteeinheit zugeleitet. Dort wird er detektiert und als
Referenzsignal verwendet. Eine genaue Beschreibung der Auswerteeinheit 3 und ihrer Funktion erfolgt in einem der nachfolgenden Abschnitte. Alternativ wird bereits ein an der Fläche Fl des ersten Lichtwellenleiters 4a reflektierter Lichtanteil der Auswerteinheit zugeleitet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lichtquellen G, B, Y, R jeweils einen in die Lichtquellen G, B, Y, R integrierten
Referenzdetektor aufweisen.
Der zweite Lichtanteil 101 wird an der zweiten Fläche F2 des ersten
Lichtwellenleiters 4a transmittiert und tritt somit in die Messzelle 5 ein. In der Messzelle 5 befindet sich das gasförmige Medium 17. Die Messzelle 5 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Rohr mit porösen Wänden, durch die das Gas in die Messzelle 5 eindringen kann, wobei Verunreinigungen wie beispielsweise Ruß im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs beim Durchgang durch die porösen Wände herausgefiltert werden können. Der zweite Lichtanteil 101 durchläuft die Messzelle 5. Das darin befindliche gasförmige Medium 17 absorbiert je nach Stoffzusammensetzung verschiedene Wellenlängen, die der zweite Lichtanteil 101 umfasst. Die Absorption unterscheidet sich je nach Zusammensetzung des gasförmigen Mediums 17 und je nachdem wie hoch die Konzentrationen der verschiedenen Stoffe in dem gasförmigen Medium 17 sind. Der zweite Lichtanteil 101 trifft auf eine Reflexionseinheit 13. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Reflexionseinheit 13 einen geformten Spiegel 8, der innerhalb der Messzelle 5 auf einer zweiten Seite 16 der Messzelle 5 angeordnet ist. Er weist eine konkave Krümmung auf. Eine Oberflächenform des Spiegels 8 kann für eine Maximierung der Effizienz bzw. der Robustheit optimiert werde. Beispielsweise kann die Oberflächenform sphärisch oder asphärisch sein oder durch eine Freiformfläche gebildet werden. Als Spiegelmaterialien können beispielsweise Molybdän, Rhodium, Aluminium oder Aluminium-Aluminiumoxid eingesetzt werden. Diese Materialien bieten hohe Reflektivitäten im UV-Bereich. Der zweite Lichtanteil 101 wird an dem Spiegel 8 reflektiert und durchläuft die Messzelle als reflektierter zweiter Lichtanteil 103 erneut. Dadurch verlängert sich ein optischer Weg, den das Licht 101, 103 in der Messzelle 5 durchläuft. Der Spiegel 8 lenkt den zweiten Lichtanteil 101 um, sodass dieser in einen zweiten Lichtwellenleiter 4b eintritt. Der zweite Lichtwellenleiter 4b ist auf der ersten Seite 15 der Messzelle 5 zwischen der Auswerteeinheit 3 und der Messzelle 5 angeordnet. Der zweite Lichtwellenleiter 4b bildet eine zweite Lichtführungseinheit 10b. Der zweite Lichtwellenleiter 4b weist eine Strukturierung auf. Beispielsweise kann der zweite Lichtwellenleiter 4b in der in Fig. la oder Fig. lb gezeigten Weise strukturiert sein. Die Strukturierung wird im Allgemeinen so gewählt, dass der zweite
Lichtwellenleiter 4b für die Anwendung benötigte Lichtführungseigenschaften aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel sind der erste Lichtwellenleiter 4a und der zweite Lichtwellenleiter 10b baugleich ausgeführt, d. h. sie stimmen in Strukturierung und Dimensionierung überein. Der reflektierte zweite Lichtanteil 103 verlässt die Messzelle 5 und tritt durch die Fläche F2 des zweiten Lichtwellenleiters 4b in den zweiten Lichtwellenleiter 4b ein. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Strahlteiler 7 auch auf der zweiten Fläche F2 des zweiten Lichtwellenleiters 4b ausgebildet. Der reflektierte zweite Lichtanteil 103, also das von der Messzelle 5 kommende Licht, wird über den zweiten Lichtwellenleiter 4b der Auswerteeinheit 3 zugeleitet. Die
Auswerteeinheit 3 ist zumindest teilweise auf der ersten Fläche Fl des zweiten Lichtwellenleiters 4b angeordnet. In der Auswerteeinheit 3 wird der reflektierte zweite Lichtanteil 103 detektiert. Ein vom Strahlteiler 7 reflektierter Lichtanteil wird zurück in die Messzelle 5 reflektiert, wodurch sich der optische Weg für diesen Lichtanteil vergrößert.
In dem in Fig. 3c gezeigten Ausführungsbeispiel sind zusätzlich zum Spiegel 8c an der, dem Spiegel 8c gegenüberliegenden Fläche innerhalb der Messzelle 5 weitere Reflexionselemente 8a, 8b angeordnet sein. Der Spiegel 8c und die Reflexionselement 8a, 8b bilden zusammen die Reflexionseinheit 13.
Beispielsweise können als Reflexionselemente 8a, 8b weitere Spiegel, beispielsweise baugleich zum Spiegel 8c in der Messzelle 5 angeordnet werden. Alle Spiegeloberflächen werden so ausgebildet, dass Mehrfachreflexionen des zweiten Lichtanteils 101 in der Messzelle erfolgen und der reflektierte zweite Lichtanteil 103 in den zweiten Lichtwellenleiter 4b einkoppeln kann. Der
Strahlenverlauf zweier Strahlen aus dem zweiten Lichtanteil 101 ist beispielhaft in Fig. 3c dargestellt. Dadurch wird der optische Weg des zweiten Lichtanteils 101 vergrößert. Somit kann entweder eine höhere Auflösung bei gleicher Baugröße erzielt werden oder die Baugröße bei gleicher Auflösung verkleinert werden.
Fig. 3b zeigt einen ähnlichen Aufbau, wie die absorptionsspektroskopische Sensoranordnung 1 in Fig. 3a. Im Unterschied zu Fig. 3a wird der zweite Lichtwellenleiter 4b ohne Strukturierung ausgeführt. Eingang und Ausgang des zweiten Lichtwellenleiters 4b können beispielsweise einen kreisförmigen
Querschnitt mit jeweils einem Durchmesser von 3mm aufweisen. Der zweite Lichtwellenleiter 4b weist hierbei eine Länge von etwa 50 mm auf. Dadurch wird die Optimierung einer von der Auswerteeinheit 3 detektierten Leistung des von der Messzelle 5 kommenden Lichts 103 ermöglicht. Optional kann auch hier der Strahlteiler 7 ausgebildet werden.
In Fig. 3b ist auf der Auswerteeinheit 3 eine Temperatursteuereinheit 12 angeordnet. Die Temperatursteuereinheit 12 umfasst in diesem
Ausführungsbeispiel ein Peltier- Element 11. Zusätzlich kann die
Temperatursteuereinheit 12 eine Regeleinheit 18 umfassen. Diese ermöglicht eine aktive Temperaturregelung. Die Temperatursteuereinheit 12 kann insbesondere in der Absorptionsspektroskopie von Abgasen von Vorteil sein, um die Funktion von temperaturempfindlichen Elementen, wie z.B. LEDs in der Lichtquelleneinheit 2 oder Detektoren in der Auswerteeinheit 3, in Umgebungen mit hoher Wärmeentwicklung bzw. starker Temperaturschwankungen, wie z.B. im Abgasstrang von Verbrennungsmotoren, zu gewährleisten. Ferner kann durch die Regelung der Temperatur von Elementen wie Photodetektoren, welche beispielsweise unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sein können, eine gleiche bzw. konstante spektrale Empfindlichkeit sichergestellt werden und damit die Temperaturabhängigkeit eliminiert bzw. reduziert werden. Alternativ oder ergänzend kann die Temperatursteuereinheit 12 auch mehrere Peltier- Elemente 11 umfassen die an verschiedenen Elementen 2, 10a, 10b, 3, 5 der
absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung 1 angeordnet sind. Die
Elemente 2, 10a, 10b, 3, 5 der absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung 1 umfassen die Lichtquelleneinheit 2, die erste Lichtführungsoptik 10a, die zweite Lichtführungsoptik 10b, die Auswerteeinheit 3 und die Messzelle 5. Im
Allgemeinen kann die Temperatursteuereinheit 12 auch verschiedenartige Heiz- und/oder Kühlelemente umfassen, die an einem oder mehreren der Elemente 2, 10a, 10b, 3, 5 der absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung 1 angeordnet sind.
Wird keine Temperaturregelung benötigt, so kann die Temperatursteuereinheit 12 ein Heiz- und/oder Kühlelement wie beispielsweise ein Peltierelement, ein Lüfter oder eine passive Kühlung sein.
In Fig. 3a und Fig. 3b kann der zweite Lichtwellenleiter 4b jeweils entfallen, wenn die Lichtquellen G, B, Y, R jeweils einen in die Lichtquellen G, B, Y, R
integrierten Referenzdetektor aufweisen. In diesem Fall entspricht die zweite Lichtführungsoptik (10b) dem ersten Lichtwellenleiter 4a. Das von der Messzelle kommende Licht 103 wird im ersten Lichtwellenleiter 4a der Auswerteeinheit 3 zugeleitet. Dabei wird die absorptionsspektroskopische Sensoranordnung 1 so ausgelegt, dass der erste Lichtanteil 102 nicht als Referenzsignal detektiert wird, sondern das Signal aus den integrierten Referenzdetektoren als Referenzsignal verwendet wird.
In Fig. 4 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Stoffkonzentration in dem gasförmigen Medium 17 mittels der Auswerteeinheit 3 beschrieben. Das von der Messzelle kommende Licht 103 wird von einem Messdetektor 14a detektiert.
Dieser übermittelt ein Messsignal 200 an eine Vergleichseinheit VE.
Der erste Lichtanteil 102 fällt auf einen Referenzdetektor 14b. Dieser detektiert zeitgleich zum Messdetektor 14a die Leistung des ersten Lichtanteils 102. Der Referenzdetektor 14b übermittelt ein Referenzsignal 201 an die Vergleichseinheit
VE. Das Referenzsignal 201 ist ein Maß für das von der Lichtquelleneinheit 2 abgestrahlte Licht 100. Ändert sich die Intensität der Lichtquelleneinheit 2, so kann ein sich daraus ergebender Messfehler unter Berücksichtigung des
Referenzsignals 201 in der Auswerteeinheit 3 eliminiert werden. Beispielsweise kann die Intensität der Lichtquelleneinheit 2 zeitlich und/oder örtlich variieren, was zu einer Verfälschung des Messsignals 200 führen würde. Indem das Messsignal 200 auf das Referenzsignal 201 normiert wird, lässt sich der Einfluss dieses Effekts verringern oder eliminieren. Es ergibt sich ein korrigiertes
Messsignal. In einer Speichereinheit 19 sind Vergleichsdaten 202 abgespeichert. In einer Kalibriermessung wird beispielsweise eine erste Messung durchgeführt, bei der die Stoffkonzentration des zu bestimmenden Stoffs im gasförmigen Medium 17 bei null liegt und eine zweite Messung bei einer bekannten
Stoffkonzentration durchgeführt. Mittels dieser beiden Messwerte der
Kalibriermessung kann unter Berücksichtigung des Lambert-Beerschen Gesetz jede beliebige Stoffkonzentration des zu bestimmenden Stoffes aus den
Messdaten ermittelt werden. Die Daten der Kalibriermessungen, die für jeden zu untersuchenden Stoff durchgeführt wird, werden als Vergleichsdaten 202 in der Speichereinheit 19 gespeichert. Das korrigierte Messsignal wird in der
Vergleichseinheit VE mit Hilfe der Vergleichsdaten 202 ausgewertet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Speichereinheit in der Auswerteeinheit 3 angeordnet. Alternativ kann der Speicher auch außerhalb der Auswerteeinheit 3 angeordnet sein (z.B. Cloud). Ein Ausgangssignal 203 umfasst die detektierten
Stoffkonzentrationen des gasförmigen Mediums 17, die durch Abgleich mit den Daten aus dem Speichereinheit 19 in der Vergleichseinheit VE bestimmt wurden. Dieses Ausgangssignal 203 wird in dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel an eine Ausgabeeinheit AE übermittelt. Beispielsweise können einem Fahrer des Kraftfahrzeuges die Ausgangssignale 203 aus dem Abgasstrang mittels der Ausgabeeinheit AE (z. B. Display) zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise können mittels einer erfindungsgemäßen
absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung 1 im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs somit NO und NO2 unterschieden und deren jeweilige
Konzentration ermittelt werden. Zudem können unter Verwendung der erfindungsgemäßen absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung 1 auch weitere Gase wie beispielsweise NH3, O2 oder SO2 in den Abgasen des
Kraftfahrzeugs mit ihrer jeweiligen Konzentration bestimmt werden.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt einer Auswerteeinheit 3. Die Auswerteeinheit 3 umfasst ein Substrat 9b, in das in einem Ausführungsbeispiel eine
Auswerteschaltung integriert sein kann. Alternativ erfolgt die Auswertung der
Signale 200, 201 in einer externen Einrichtung. Hierzu werden die Signale 200, 201 an diese Einrichtung übermittelt. Eine Lichteinstrahlrichtung 20 ist in Fig. 5 eingezeichnet. Der Messdetektor 14a und der Referenzdetektor 14b sind als Strahlungssensoren auf dem Substrat 9b ausgebildet. Die Detektoren 14a, 14b sind dazu ausgelegt Strahlung zu detektieren. Beispielsweise können
Photodioden, Avalanche-Photodioden (APD), Einzelphoton-Avalanche- Photodioden (SPAD) oder eine Anordnung, die mehrere Strahlungssensoren umfasst, als Messdetektor 14a und Referenzdetektor 14b verwendet werden. Eine hier nicht gezeigte Ausführungsform umfasst einen dritten Lichtwellenleiter, der zwischen der Messzelle 5 und der Auswerteeinheit 3 parallel zu den anderen Lichtwellenleitern 4a, 4b angeordnet ist. Der erste Lichtanteil 102 wird hierbei nicht über den ersten Lichtwellenleiter 4a der Auswerteeinheit 3 zugeleitet, sondern über den dritten Lichtwellenleiter. Hierzu wird der am Ausgang des ersten Lichtwellenleiters 4a reflektierte erste Lichtanteil 102 am Ausgang des ersten Lichtwellenleiters 4a in den dritten Lichtwellenleiter eingekoppelt und zur Auswerteeinheit 3 geführt. Der dritte Lichtwellenleiter kann beispielsweise baugleich zu einem oder beiden aus dem ersten und dem zweiten
Lichtwellenleiter 4a, 4b sein.

Claims

Ansprüche 1. Absorptionsspektroskopische Sensoranordnung (1), umfassend
eine Auswerteeinheit (3), die zur Bestimmung einer Stoffkonzentration in einem gasförmigen Medium ausgelegt ist,
eine Messzelle (5), die dazu ausgebildet ist, das zu untersuchende gasförmige Medium aufzunehmen,
- eine erste Lichtführungsoptik (10a), die dazu ausgebildet ist, ein von einer
Lichtquelleneinheit (2) abgestrahltes Licht (100) der Messzelle (5) zuzuleiten und
eine zweite Lichtführungsoptik (10b), die dazu ausgebildet ist, ein von der Messzelle (5) kommendes Licht (103) der Auswerteeinheit (3) zuzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtführungsoptik (10a) einen ersten
Lichtwellenleiter (4a) umfasst, wobei
der erste Lichtwellenleiter (4a) infolge einer ersten Dimensionierung eine
Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen aufweist und
der erste Lichtwellenleiter (4a) eine erste Strukturierung aufweist, wobei Lichtführungseigenschaften des ersten Lichtwellenleiters (4a) über die erste
Strukturierung einstellbar sind.
2. Absorptionsspektroskopische Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lichtführungsoptik (10b) einen zweiten Lichtwellenleiter (4b) umfasst, wobei der zweite Lichtwellenleiters (4b) infolge einer zweiten Dimensionierung eine Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen aufweist.
3. Absorptionsspektroskopische Sensoranordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lichtwellenleiter (4b) eine zweite
Strukturierung aufweist, wobei weitere Lichtführungseigenschaften des zweiten Lichtwellenleiters (4b) über die zweite Strukturierung einstellbar sind.
4. Absorptionsspektroskopische Sensoranordnung (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Lichtquelleneinheit (2) ein polychromatisches Spektrum emittiert.
5. Absorptionsspektroskopische Sensoranordnung (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Lichtquelleneinheit (2) eine Anordnung mehrerer monochromatischer
Lichtquellen (G, B, J, R) umfasst, die zumindest teilweise unterschiedliche Spektren aufweisen.
6. Absorptionsspektroskopische Sensoranordnung (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive oder passive Temperatursteuereinheit (12) an zumindest einem Element der absorptionsspektroskopischen Sensoranordnung (1) angeordnet ist.
7. Absorptionsspektroskopische Sensoranordnung (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (5) eine Reflexionseinheit (13) umfasst.
8. Absorptionsspektroskopische Sensoranordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseinheit (13) mehrere Reflexionselemente umfasst, die so angeordnet und/oder geformt sind, dass ein in die Messzelle (5) eintretender Lichtstrahl in der Messzelle mehrfach reflektiert wird, bevor der Lichtstrahl der Auswerteeinheit (3) zugeleitet wird.
9. Absorptionsspektroskopische Sensoranordnung (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster
Lichtanteil (102) des in die erste Lichtführungsoptik (10a) eingekoppelten Lichts der Auswerteeinheit (3) zugeleitet wird und ein zweiter Lichtanteil (101) des in die erste Lichtführungsoptik (10a) eingekoppelten Lichts der Messzelle (5) zugeleitet wird.
10. Absorptionsspektroskopische Sensoranordnung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlteiler (7) zwischen der ersten
Lichtführungsoptik (10a) und der Messzelle (5) angeordnet ist.
11. Verfahren zur Bestimmung einer Stoffkonzentration in einem gasförmigen
Medium unter Verwendung einer absorptionsspektroskopischen
Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
PCT/EP2016/075802 2015-11-06 2016-10-26 Absorptionsspektroskopische sensoranordnung und verfahren zur bestimmung einer stoffkonzentration in einem gasförmigen medium WO2017076716A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015221789.2A DE102015221789A1 (de) 2015-11-06 2015-11-06 Absorptionsspektroskopische Sensoranordnung und Verfahren zur Bestimmung einer Stoffkonzentration in einem gasförmigen Medium
DE102015221789.2 2015-11-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017076716A1 true WO2017076716A1 (de) 2017-05-11

Family

ID=57211509

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2016/075802 WO2017076716A1 (de) 2015-11-06 2016-10-26 Absorptionsspektroskopische sensoranordnung und verfahren zur bestimmung einer stoffkonzentration in einem gasförmigen medium

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102015221789A1 (de)
WO (1) WO2017076716A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111413283A (zh) * 2020-04-09 2020-07-14 大连理工大学 一种基于蝶翅鳞片的光纤气体传感器

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016226290A1 (de) * 2016-12-29 2018-07-05 Robert Bosch Gmbh Sensor für die Analyse eines Gasgemisches und dessen Verwendung

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4331847A1 (de) * 1992-10-05 1994-04-07 Volkswagen Ag Absorptionsmeßvorrichtung zur Analyse eines mehrere Komponenten enthaltenden Gases
US6227682B1 (en) * 2000-03-22 2001-05-08 Cogent Light Technologies, Inc. Coupling of light from a small light source for projection systems using parabolic reflectors
US20060164607A1 (en) * 2005-01-25 2006-07-27 Morejon Israel J Light-emitting diode (LED) illumination system for a digital micro-mirror device (DMD) and method of providing same
DE102008064173A1 (de) 2008-12-22 2010-07-01 Universität Rostock Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Stoffkonzentration in gasförmigen oder fluiden Medien über optische Spektroskopie mittels breitbandiger Lichtquellen
DE102010062027A1 (de) * 2010-11-26 2012-05-31 Siemens Aktiengesellschaft Messaufbau für die optische Absorptions-Spektroskopie

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2592165B1 (fr) * 1985-12-23 1988-02-19 Philips Eclairage Dispositif de regulation de la richesse des gaz de combustion d'un moteur a explosion.
FI963388A (fi) * 1996-08-30 1998-03-01 Instrumentarium Oy Väliaineiden spektroskooppisessa analysoinnissa käytettävän mittausanturin lisärakenne
US9109951B2 (en) * 2013-11-06 2015-08-18 Spectrasensors, Inc. Reduced volume spectroscopic sample cell
US9804084B2 (en) * 2013-11-11 2017-10-31 Amphenol Thermometrics, Inc. Optical gas sensor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4331847A1 (de) * 1992-10-05 1994-04-07 Volkswagen Ag Absorptionsmeßvorrichtung zur Analyse eines mehrere Komponenten enthaltenden Gases
US6227682B1 (en) * 2000-03-22 2001-05-08 Cogent Light Technologies, Inc. Coupling of light from a small light source for projection systems using parabolic reflectors
US20060164607A1 (en) * 2005-01-25 2006-07-27 Morejon Israel J Light-emitting diode (LED) illumination system for a digital micro-mirror device (DMD) and method of providing same
DE102008064173A1 (de) 2008-12-22 2010-07-01 Universität Rostock Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Stoffkonzentration in gasförmigen oder fluiden Medien über optische Spektroskopie mittels breitbandiger Lichtquellen
DE102010062027A1 (de) * 2010-11-26 2012-05-31 Siemens Aktiengesellschaft Messaufbau für die optische Absorptions-Spektroskopie

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111413283A (zh) * 2020-04-09 2020-07-14 大连理工大学 一种基于蝶翅鳞片的光纤气体传感器

Also Published As

Publication number Publication date
DE102015221789A1 (de) 2017-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008044171B4 (de) Optischer Sensor, Abgasstrang und Verfahren zum Betrieb des Sensors
AT510765B1 (de) Vorrichtung zur photometrischen bzw. spektrometrischen untersuchung einer flüssigen probe
EP0470982B1 (de) Reflexionsfluorimeter
DE102012215702A1 (de) Beleuchtungseinrichtung
WO2018210478A1 (de) Optischer sensor
WO2017076716A1 (de) Absorptionsspektroskopische sensoranordnung und verfahren zur bestimmung einer stoffkonzentration in einem gasförmigen medium
DE10255022A1 (de) Resonatorverstärktes Absorptions-Spektrometer
WO2019170393A1 (de) Mit laser induzierter inkandeszenz arbeitender partikelsensor mit einer konfokalen anordnung eines laserspots und eines temperaturstrahlungsspots
WO2008014937A1 (de) Optische messzelle
EP2491369B1 (de) Schnelle optische tomographie
EP3598103B1 (de) Gasanalysator und gasanalyseverfahren
EP4127660B1 (de) Duale messvorrichtung zur bestimmung der beschaffenheit eines gases, ihre verwendung sowie fortbewegungsmittel mit einer solchen
EP2988950B9 (de) Kalibrierverfahren und verfahren zur schnellen bestimmung der absoluten lumineszenzintensität
EP1910787A1 (de) Anordnung zur bestimmung der gastemperatur
DE112021005257T5 (de) Optisches extinktionsspektrometer, optisches bauelement und verfahren zur optischen extinktionsspektrometrie
DE112018007972T5 (de) Anordnung dichroitischer spiegel und lichtdetektionsvorrichtung
DE102013005372A1 (de) Vorrichtung zur spektroskopischen Messwerterfassung von physikalischen und/oder chemischen Parametern eines Messobjektes
DE102016207995A1 (de) Optischer Resonator für eine Sensorvorrichtung zum Detektieren eines Fluids, Sensorvorrichtung zum Detektieren eines Fluids und Verfahren zum Detektieren eines Fluids
CN109425590B (zh) 多种气体同时测量tdlas对齐系统
DE102018220154A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors
DE10238078C1 (de) Verfahren und Anordnung zur orts- und winkelaufgelösten Reflexionsmessung
DE102023102768A1 (de) Optische Messeinrichtung
DE102020211328A1 (de) Optischer Rußpartikelsensor
EP4127658A1 (de) Optischer sensor zur detektion eines gases, seine verwendung sowie fortbewegungsmittel mit einem solchen sensor
DE20022966U1 (de) Hochdurchsatzscreening-Vorrichtung zur optischen Erfassung von Proben

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16788495

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16788495

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1