WO2018210478A1 - Optischer sensor - Google Patents

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WO2018210478A1
WO2018210478A1 PCT/EP2018/058530 EP2018058530W WO2018210478A1 WO 2018210478 A1 WO2018210478 A1 WO 2018210478A1 EP 2018058530 W EP2018058530 W EP 2018058530W WO 2018210478 A1 WO2018210478 A1 WO 2018210478A1
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optical sensor
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Daniel AQUINO MAIER
Martin Schreivogel
Benjamin Traenkle
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • a sensor for measuring the concentration of a component of an exhaust gas comprising a light source, a measuring cell and an optical detector, wherein light generated by the light source in the measuring cell and from there to the optical detector arrives.
  • the measuring cell is delimited by an optical window, through which light passes from the light source into the measuring cell and, after deflection at a mirror, out of the measuring cell to the optical detector.
  • the known sensor further comprises a housing made of a metallic material, are attached to the window and mirror of the sensor. Disclosure of the invention
  • the present invention with the features of claim 1 based on the finding that prior art sensors are expensive to manufacture, since a plurality of optical components must be mounted on the housing, and in
  • Fiber optic housing can be easily and yet precisely manufactured and operated easily.
  • an optical sensor is understood to mean, in particular, a sensor whose measuring principle depends on the interaction of the sensor
  • the component to be detected is based on the light generated by the light source, for example based on an absorption or based on a non-linear interaction, for example a frequency conversion. It may, for example, be a sensor for the selective detection of NO 2, NO, NH 3, SO 2, O 2 and / or the like.
  • the optical sensor can be, for example, a sensor for measuring such a component in the exhaust gas of a burner or a burner
  • Mounting means for inclusion in a target system, for example in an exhaust tract of a burner or an internal combustion engine on.
  • the mounting means may be, for example, a thread, for example external thread, and / or a mounting profile, for example an external hexagonal profile, and / or the like.
  • a thread for example external thread
  • a mounting profile for example an external hexagonal profile, and / or the like.
  • Source of coherent and / or incoherent light understood, for example, a light emitting diode with an emission in the ultraviolet, visible and / or infrared spectral range or more such light emitting diodes in one
  • Light emitting diode array can be a laser with an emission in the ultraviolet, visible and / or infrared spectral range, for example a semiconductor laser or a plurality of such semiconductor lasers.
  • a detector which converts light into an electrical signal, for example into a voltage and / or into a current
  • a photodiode for example, a photodiode and / or a phototransistor.
  • a measuring room is understood to mean, in particular, a spatial area in which it interacts with the room
  • the measuring space can be arranged in particular in the interior of the housing be and / or from this in one or two mutually perpendicular
  • Measuring room in particular around a measuring chamber It is special
  • the measuring space or the measuring chamber fluidly communicates with a space located outside the sensor area.
  • an optically transparent material is understood in particular to mean a material which is transparent in the ultraviolet, in the visible and / or in the infrared spectral region, for example it may be a glass and / or a plastic. It may be
  • the housing is made of the optically transparent material, in particular it consists of the optically transparent material.
  • the housing may in particular be manufactured in one piece from the optically transparent material and / or consist of the optically transparent material.
  • coatings may be provided on the housing, the interaction of which with light in particular results in its absorption or, in particular, in its reflection or in particular in its scattering or, in particular, in its filtering.
  • the housing is receivable in a target system, for example in a metallic protective tube, which may be porous, for example, and ensures access of a gas to the measuring space.
  • the senor therefore has no further optical components for the light conduction, that is to say in particular no windows, mirrors, fibers and / or the like which are not integral with the housing. All optical components of the sensor, which do not serve for light generation and / or for light detection, can thus be made in one piece by the housing.
  • the housing may further include a
  • sealing disc which, for example, on a
  • Protective tube for fixing system along a line can come and in this way one at
  • the measuring space or the measuring chamber of the optical sensor is bounded by the housing in one or in two mutually perpendicular spatial directions, for example, is enveloped.
  • the housing of the optical sensor is under the
  • the mass and / or its volume makes up at least 30% of the mass and / or the volume of the optical sensor.
  • the housing according to the invention passes light according to the invention
  • Light source to the measuring space and from the measuring space to the optical detector Under the direction of light through the housing is in the context of the application in particular a not only passive fluoroscopy of the housing to understand, but in particular a shaping and / or guiding the light transversely to its propagation direction, in particular by
  • Reflection for example total reflection, on the optical housing.
  • at least one reflection of the light may be provided on the housing, which influences in particular the propagation direction and / or a beam shape of the light.
  • sections of the housing may be provided, which in particular taper or widen in the propagation direction of the light and cause focusing or collimation of the light, or provided as a reflector, in particular as a curved mirror and / or axicon, executed sections of the housing.
  • Such sections of the housing which in particular taper or widen in the propagation direction of the light and cause focusing or collimation of the light, are also referred to as taper and are in particular on the side facing the light source side of the housing and / or in particular on the optical detector facing Side of the housing and / or in particular on the below explained in more detail optical
  • the light source and / or the optical detector and / or the optical reference detector can be arranged and / or fixed to such sections, for example glued and / or welded, so that
  • Propagation direction of the light such as 5mm or even 15mm, they cause in addition to a reduction in divergence or in addition to an increase in the convergence of light and a thermal decoupling of the electronic components such as the light source and / or the optical detector and / or the optical Reference detector of the sample gas chamber or the sample gas chamber, as well as a mixture and homogenization of the light in terms of its spatial proportions.
  • the Light source and the optical detector are arranged on a same side of the housing to the housing and / or fixed.
  • a same side of the housing is in the context of the invention, in particular a half-space is separated by a tangential continuation of a side surface of the housing of the half-space in which the housing is located.
  • part of the emission of the light source is used as the reference light, without
  • the measure has the advantage that signals obtainable by the optical detector can then be evaluated, whether or not they are correlated with the concentration of the component of the measurement gas, for example, fluctuations in the power of the light source or mechanical deformation of the housing, for example
  • the difference or the quotient of the output signals of the optical detector and the optical reference detector can be formed.
  • Lambert-Beer's law can be used.
  • the optical detector and the optical reference detector and optionally also the light source on a same side of the housing are arranged on the housing and / or fixed.
  • a same side of the housing is in the context of the invention, in particular a half-space is separated by a tangential continuation of a side surface of the housing of the half-space in which the housing is located.
  • Measuring gases are correlated or not, is provided according to advantageous developments of the invention that the light along the path from the light source to the optical detector undergoes a reflection on a side surface of the housing, on which also the reference light a reflection on the way from the
  • Light source to the optical reference detector learns. If the degree of reflection of light at this side surface varies, this results in correlated proportions in the output signal of the optical detector and the optical reference detector, which, as explained above, can be recognized as such and in the determination of the concentration of the component of the measurement gas
  • the light along the path from the light source to the optical detector deflections its propagation direction at exactly the side surfaces of the housing experiences, in which the reference light deflections its propagation direction on the way the light source to the optical reference detector experiences.
  • Housing is tapered in an opposite end portion of the light source.
  • tapered end portions can be embodied, for example, as conical sections, for example as an axicon or as a reflector with the shape of a spherical section.
  • At the tapered end portion can be embodied, for example, as conical sections, for example as an axicon or as a reflector with the shape of a spherical section.
  • the housing has a prismatic basic shape, so that between the
  • Basic surfaces of the prismatic basic form is a light pipe
  • Sensors are separated by an optical separation layer. Sensors can be realized in a modular and flexible way.
  • Such a separating layer can be, for example, a reflective and / or absorbing coating and / or film and / or a cladding whose refractive index is smaller than that of the material of the housing, so that a passage of light between the stacked housings or sensors is omitted.
  • the prismatic basic shape may, for example, be a rectangular prismatic basic shape, so that side edges of the prismatic basic shape are oriented perpendicular to the base surfaces.
  • the base surface of the prismatic basic shape has a hole, so that the measurement space is bounded by the housing in the two transverse directions to form a measuring chamber.
  • the sensor can furthermore be integrated and thus compacted and / or simplified, in that a gas connection is integrally formed on the housing through which the measurement gas can pass into the measurement space.
  • each further simplifying be provided that the light source between the optical detector and the housing is arranged and / or the light source and the optical detector are arranged on a common board.
  • it may be provided to thermally couple the light source and / or the housing and / or the optical detector and / or the optical reference detector to one or more active and / or passive temperature controllers and / or one or more cooling elements , It may be, for example, a regulator comprising a thermocouple and / or a Peltier element and / or a water cooling.
  • Such devices are particularly useful in sensors that rely on
  • Absorption spectroscopy based and / or for use in connection with exhaust gases advantageous because it the reliable and accurate operation of temperature-sensitive elements, such as light-emitting diodes or photodetectors, even in environments with high heat generation
  • a defined spectral emission or sensitivity can be ensured and thus eliminates or reduces the temperature dependence of the measurement.
  • the sensor according to the invention can be used as an exhaust gas sensor, but of course also as a sensor for detecting fires, for measuring substances in respiratory gas or in liquids, in workshop analysis and / or the like.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the invention.
  • Figures 2a and 2b show enlarged the optical components of the sensor
  • FIG. 1 A first figure.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a variant of the preceding embodiments of the invention.
  • Figures 5a and 5b z own two variants of a fourth embodiment of the
  • Figures 1 and 2a show an embodiment of an optical sensor 1 for the optical measurement of at least one concentration of a component of a measuring gas, in particular for the optical measurement of the concentration of a component in the exhaust gas of a burner or an internal combustion engine.
  • the optical sensor 1 has a porous protective tube 30 which provides protection
  • porous protective tube 30 is an optical system 2 with a designed as a UV light emitting light source 20, with a measuring chamber 22 ', formed with a formed as a photodiode optical detector 24 and with a made of an optically transparent material housing 10, which light 201 of the Light source 20 to the measuring chamber 22 'and from which the measuring chamber 22' to the optical detector 24 passes recorded.
  • Sample gas enters through the porous protective tube 30 into the measuring chamber 22 ', as shown in the figure 1 by the arrow indicated by the reference numeral 200.
  • the housing 10 is in one piece and consists of quartz glass or another optically transparent, heat-resistant material. It guides the light 201, starting from the light source 20, which is materially connected to the housing 10, via the measuring chamber 22 'formed in the housing 10 to the optical detector 24 cohesively connected to the housing 10. The light 201 is merely illuminated by the one-piece housing 10 of FIG the light source 20 is passed to the optical detector 24, so there are no further optical
  • Light pipe components such as other mirrors, windows, fibers or the like.
  • the housing 10 has a prismatic basic shape, so that a light conduction takes place between the base surfaces of the prismatic basic shape.
  • Base of the prismatic basic shape has a hole 221, so that by the housing 20, the measuring chamber 22 'is limited in the two transverse directions.
  • the light 201 is emitted from light source 20 by a
  • Propagation direction of the light 201 expanding section 108 which causes a collimation of the light, led to the measuring chamber 22 'and from there to a
  • the light source 10 opposite end portion 107 of the housing 10 passed, in which the housing is tapered.
  • a reflection and deflection of the light 201 takes place back in the direction of the measuring chamber 22 'and the light source 20.
  • the light 201 After a second passage of the light 201 through the measuring chamber 22 ', the light 201 is guided from the housing 10 to the optical detector 24, which is fixed to a section 109 of the housing 10 tapering in the propagation direction of the light 201, and a focusing of the light 201 on the optical detector 24 causes.
  • an optical reference detector 26 is arranged.
  • the light source 20 emits reference light 202 which is spatially separated from the light 201 and whose optical power is in a fixed relationship to the optical power of the light 201, for example due to the type of construction. for example, the same size.
  • the reference light 202 is also collimated starting from the light source 20 by the section 108, which widens in the propagation direction of the light 201 or the reference light 202. It does not enter the measuring chamber
  • the reference light 202 is guided in the housing 10 past the measuring chamber 22 '. Subsequently, it is guided to the reference optical detector 26 which is fixed to another portion 109 'of the housing 10 tapering in the direction of propagation of the light 201, and causes the reference light 202 to be focused on the optical reference detector 26.
  • the surfaces of the housing 10 may optionally have coatings 301-308, see FIG. 2b.
  • coatings 301-308 see FIG. 2b.
  • reflective coatings 301, 302, 303, 304 may be provided on surfaces of the housing 10 where an exit of light 201 from the housing 10 is undesirable, for example at the side surfaces of the prismatic basic shape.
  • absorbent coatings 307, 308 may be provided on the bases of the basic prismatic shape and thus allow light 201 or
  • reflectance-reducing layers 305 can be arranged on the side walls of the measuring chamber 22 'which are irradiated by light 201 in order to optimize this transmission.
  • the light source 20 facing side surface 306 of the housing 10 may be roughened compared to at least one other outer surface of the housing 10 to cause a more homogeneous light distribution in the housing 10.
  • a cladding (not shown) may be provided the robustness of the housing further increased.
  • a sealing washer 51 is integrally formed on the prismatic body of the housing 10. The sealing washer fixes on the one hand the housing 10 in the
  • Protective tube 30 separates the region of the sensor 1 communicating with the sample gas from a region in which the light source 20, the optical detector 24 and the optical reference detector 26 are arranged.
  • Figure 3 shows a sensor stack 1 1 1, the three stacked
  • the housings 10, 10 ', 10 "of the individual optical systems 2, 2', 2" are stacked on top of one another in such a way that a continuous measuring chamber 22 'results.
  • Separating layers 15, 15 ' are provided between the individual optical systems 2, 2', 2 "or housings 10, 10 ', 10".
  • the separating layers 15, 15 ' may be, for example, reflective and / or absorbing coatings and / or films and / or cladding whose refractive indices are smaller than that of the material of the housing 10, that is smaller than that of FIG
  • Quartz glass so that a transition of light 201 and / or reference light 202 between the stacked housings 10, 10 ', 10 "omitted.
  • the three light sources 20, 20 ', 20 "shown in the figure may, for example, be UV light-emitting diodes, of which a first light of wavelength 217 nm, of which a second light of wavelength 227 nm and of which a third light of wavelength 403 nm emits
  • a sensor stack can be used for the simultaneous and unaffected measurement of the concentrations of the substances NH3, NO and NO2 in the exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the sensor stack 1 1 1 shown in Figure 3 of course, with the components shown in Figure 1 porous protective tube 30, external thread 41, hexagon socket 42 and sealing disc 51 as shown there, be developed and, for example, in an exhaust tract of a
  • Internal combustion engine for example in a device for
  • the sensor stack 1 1 1 to the non-input or
  • FIG. 4 shows the development by means of a gas connection 17 integrally formed on the housing 10, through which measurement gas can enter into the measurement space 22.
  • a gas connection 17 integrally formed on the housing 10, through which measurement gas can enter into the measurement space 22.
  • FIG. 5a shows a first variant of another embodiment of the invention. It has an optical system 2 with a light source 20 designed as a UV light-emitting diode, with a measuring space 22, with an optical detector 24 designed as a photodiode and with a housing 10 made of an optically transparent material, which light 201 from the light source 20 to the measuring space 22 and from the measuring space 22 to the optical detector 24, on.
  • a light source 20 designed as a UV light-emitting diode
  • an optical detector 24 designed as a photodiode
  • a housing 10 made of an optically transparent material
  • the housing 10 is in one piece, has a cylindrical symmetry and consists of quartz glass or another optically transparent,
  • the heat resistant material directs the light 201, starting from the light-tightly connected to the housing 10 light source 20 to an integrally formed on the opposite side of the housing 10 Axikon 1 15, at which the light is deflected. After passing through the measuring space 22, which is arranged between the axicon 15, the central part of the housing 10 and the sealing disk 51, the light 201 reaches the optical detector 24, which is materially connected to the housing 10.
  • the light 201 becomes as in the previous embodiments only passed through the housing 10, so without further optical components of the light source 20 to the optical detector 24.
  • an optical reference detector 26 is further arranged.
  • the light source 20 emits reference light 202 which is spatially separated from the light 201 and whose optical power is in a fixed relationship with the optical power of the light 201, for example due to the design, for example is the same.
  • the reference light 202 is also conducted from the light source 20 to the formed on the housing 10 Axikon 1 15 and there deflected. However, it does not subsequently reach the measuring space 22, but is guided in the central part of the housing 10 to the optical reference detector 24.
  • the optical detector 24, the reference detector 26 and the light source 20 are arranged one above the other and fixed to each other and to the housing 10. They have, together with the housing 10, a cylindrical symmetry.
  • the optical detector 24, the reference detector 26 and the light source 20 are not arranged one above the other but side by side on the board 70.
  • they may be processed together on the board 70.
  • the sensor 1 shown in FIG. 5a can of course be further developed with the components shown in FIG. 1, porous protective tube 30, external thread 41, external hexagon 42 and sealing washer 51 and mounted, for example, in an exhaust tract of an internal combustion engine.
  • the second variant shown in FIG. 5b differs from the variant shown in FIG. 5a in that, instead of the axicon 1 15 integrally formed on the housing 10, a curved mirror 16 integrally formed with the housing 10 occurs.
  • the housing 10 with a cladding on the surfaces not provided for coupling or decoupling light 201 and / or reference light 202.
  • the invention is not limited to those shown in the embodiments
  • housing shapes limited; Rather, the shape of the housing 10 can be adapted to the respective requirements.
  • a light source 20 comprising a plurality of light sources 20, which light 201 and
  • Emit reference light 202 with mutually different wavelengths for example, a light-emitting diode array comprising three light emitting diodes, for example, on a single structured wafer, of which a first
  • emitted light of wavelength 217nm of which, for example, a second light of wavelength 227nm emitted and of which a third, for example, emits light of wavelength 403nm.
  • Reference detector 26 is provided, it is possible in this example to measure the concentrations of substances NH3, NO and NO2 in the exhaust gas of an internal combustion engine with high temporal resolution in sequentially executed measurements.
  • the light source 20 and / or the housing 10 and / or the optical detector 24 and / or the optical reference detector 26 may be provided in a manner known to those skilled in the art, to one or more active and / or passive temperature controller and / or to thermally couple to one or more cooling elements.
  • the light source 20 and / or the housing 10 and / or the optical detector 24 and / or the optical reference detector 26 to one or more active and / or passive temperature controller and / or to thermally couple to one or more cooling elements.
  • It may be, for example, a regulator having a thermocouple and Peltier element, and / or a water cooling and / or a controller comprising a water cooling.

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Abstract

Optischer Sensor zur optischen Messung von zumindest einer Konzentration eines Bestandteils einer Flüssigkeit oder eines Messgases, insbesondere zur optischen Messung der Konzentration eines Bestandteils im Abgas eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine, mit einer Lichtquelle (20), mit einem Messraum (22), mit einem optischen Detektor (24) und mit einem aus einem optisch transparenten Material gefertigten Gehäuse (10), welches Licht (201) von der Lichtquelle (20) zu dem Messraum (22) und von dem Messraum (22) zu dem optischen Detektor (24) leitet.

Description

Beschreibung
Titel
Optischer Sensor Stand der Technik
Aus der DE 10 2008 044 171 A1 ist bereits ein Sensor zur Messung der Konzentration eines Bestandteils eines Abgases bekannt, der eine Lichtquelle, eine Messzelle und einen optischen Detektor umfasst, wobei von der Lichtquelle erzeugtes Licht in die Messzelle und von dort zu dem optischen Detektor gelangt. Die Messzelle wird von einem optischen Fenster begrenzt, durch das Licht von der Lichtquelle in die Messzelle und nach Umlenkung an einem Spiegel aus der Messzelle heraus zu dem optischen Detektor gelangt. Der bekannte Sensor weist ferner ein Gehäuse aus einem metallischen Material auf, an dem Fenster und Spiegel des Sensors befestigt sind. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 basiert auf der Erkenntnis, dass vorbekannte Sensoren aufwändig zu fertigen sind, da mehrere optische Komponenten an dem Gehäuse montiert werden müssen, und im
Betrieb fehleranfällig sind, da die Montage der optischen Komponenten
notwendigerweise mit Fehlertoleranzen behaftet ist.
Der erfindungsgemäße Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat
hingegen den Vorteil, dass er einfach zu fertigen und betriebssicher ist, denn er weist ein aus einem optisch transparenten Material gefertigtes Gehäuse auf, welches Licht von der Lichtquelle zu dem Messraum und von dem Messraum zu dem optischen Detektor leitet. Der Montage weiterer Fenster, Spiegel oder
Lichtleiter bedarf es nicht notwendigerweise. Ein derartiges
„Lichtwellenleitergehäuse" kann einfach und dennoch präzise gefertigt werden und problemlos betrieben werden. Unter einem optischen Sensor wird im Rahmen der Messung insbesondere ein Sensor verstanden, dessen Messprinzip auf der Wechselwirkung des
nachzuweisenden Bestandteils mit dem von der Lichtquelle erzeugten Licht basiert, beispielsweise auf einer Absorption basiert oder auf einer nichtlinearen Wechselwirkung, beispielsweise einer Frequenzkonversion, basiert. Es kann sich beispielsweise um einen Sensor zum selektiven Nachweis von NO2, NO, NH3, SO2, O2 und/oder dergleichen handeln.
Es kann sich bei dem optischen Sensor beispielsweise um einen Sensor zur Messung eines derartigen Bestandteils im Abgas eines Brenners oder einer
Brennkraftmaschine handeln, also einen Sensor, der bauartbedingt insbesondere Gasen hoher Temperatur, beispielsweise bis zu 600°C oder sogar bis zu 900°C, aussetzbar ist. Derartige Abgassensoren weisen ferner insbesondere
Montagemittel zur Aufnahme in einem Zielsystem, beispielsweise in einem Abgastrakt eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine, auf. Es kann sich bei den Montagemitteln zum Beispiel um ein Gewinde, zum Beispiel Außengewinde, und/oder um ein Montageprofil, zum Beispiel um ein Außensechskantprofil, handeln und/oder um dergleichen handeln. Unter einer Lichtquelle wird im Rahmen der Anmeldung insbesondere eine
Quelle von kohärentem und/oder inkohärentem Licht verstanden, beispielsweise eine Leuchtdiode mit einer Emission im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich oder mehrerer solcher Leuchtdioden in einem
Leuchtdiodenarray. Alternativ kann es sich um einen Laser mit einer Emission im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich, beispielsweise um einen Halbleiterlaser oder um mehrere derartige Halbleiterlaser handeln.
Unter einem optischen Detektor wird im Rahmen dieser Anmeldung
insbesondere ein Detektor verstanden, der Licht in ein elektrisches Signal, beispielsweise in eine Spannung und/oder in einen Strom, wandelt,
beispielsweise eine Photodiode und/oder ein Phototransistor.
Unter einem Messraum wird im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere ein räumlicher Bereich verstanden, in dem es zur Wechselwirkung des
nachzuweisenden Bestandteils mit dem von der Lichtquelle erzeugten Licht kommt. Der Messraum kann insbesondere im Inneren des Gehäuses angeordnet sein und/oder von diesem in einer oder zwei zueinander senkrechten
Raumrichtungen begrenzt sein; in diesen Fällen handelt es sich bei dem
Messraum insbesondere um eine Messkammer. Es ist insbesondere
vorgesehen, dass der Messraum beziehungsweise die Messkammer mit einem außerhalb des Sensors befindlichen Raumbereich fluidisch kommuniziert.
Unter einem optisch transparenten Material wird im Rahmen der Anmeldung insbesondere ein Material verstanden, dass im ultravioletten, im sichtbaren und/oder im infraroten Spektralbereich transparent ist, beispielsweise kann es sich um ein Glas und/oder um einen Kunststoff handeln. Es kann sich
beispielsweise um ein Quarzglas oder um Deep UV-Silikon handeln.
Das Gehäuse ist aus dem optisch transparenten Material gefertigt, insbesondere besteht es aus dem optisch transparenten Material. Das Gehäuse kann insbesondere einstückig aus dem optisch transparenten Material gefertigt sein und/oder aus dem optisch transparenten Material bestehen. Dem steht es jeweils nicht entgegen, dass auf dem Gehäuse insbesondere Beschichtungen vorgesehen sein können, deren Wechselwirkung mit Licht insbesondere zu dessen Absorption oder insbesondere zu dessen Reflexion oder insbesondere zu dessen Streuung oder insbesondere zu dessen Filterung führt. Dem steht es jeweils auch nicht entgegen, dass das Gehäuse in einem Zielsystem aufnehmbar ist, beispielsweise in einem metallischen Schutzrohr, das beispielsweise porös sein kann und einen Zutritt eines Gases zu dem Messraum gewährleistet. Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Licht von der Lichtquelle über den
Messraum zu dem optischen Detektor lediglich durch das optisch transparente Material, aus dem das Gehäuse gefertigt ist beziehungsweise aus dem das Gehäuse, wie oben erläutert, bestehen kann, geleitet wird. In diesem Fall weist der Sensor also zur Lichtleitung keine weiteren optischen Komponenten auf, also insbesondere keine mit dem Gehäuse nicht einstückige Fenster, Spiegel, Fasern und/oder dergleichen. Alle optischen Komponenten des Sensors, die nicht zur Lichterzeugung und/oder zur Lichtdetektion dienen, können somit durch das Gehäuse einstückig ausgeführt sein.
Unter dem Gehäuse des optischen Sensors wird im Rahmen der Anmeldung insbesondere eine Komponente verstanden, die dem optischen Sensor eine mechanische Stabilität verleiht und/oder insbesondere eine mechanisch tragende Struktur des optischen Sensors darstellt. Das Gehäuse kann ferner eine
Schnittstelle zur weiteren Integration des Sensors in einem Zielsystem aufweisen, beispielsweise eine Dichtfläche.
Es kann beispielsweise eine, insbesondere an das Gehäuse einstückig angeformte, Dichtscheibe vorgesehen sein, die beispielsweise an einem
Schutzrohr zur fixierenden Anlage entlang einer Linie, beispielsweise einer Kreislinie, kommen kann und auf diese Weise eine auch bei
Wärmeausdehnungen des Sensors und seiner Komponenten spannungs- und belastungsarme Fixierung des Gehäuses in dem Sensor gewährleistet.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Messraum beziehungsweise die Messkammer des optischen Sensors von dem Gehäuse in einer oder in zwei zueinander senkrechen Raumrichtungen begrenzt wird, beispielsweise umhüllt wird. Unter dem Gehäuse des optischen Sensors wird im Rahmen der
Anmeldung insbesondere eine Komponente verstanden, dessen Abmessungen sich in zumindest einer Raumrichtung, insbesondere sich in zumindest zwei oder drei zueinander senkrechten Raumrichtungen, entlang zumindest 50% der Abmessung des optischen Sensors erstrecken. Unter dem Gehäuse des optischen Sensors wird im Rahmen der Anmeldung insbesondere eine
Komponente verstanden, dessen Masse und/oder dessen Volumen zumindest 30% der Masse und/oder des Volumens des optischen Sensors ausmacht. Eine insbesondere lediglich an der Peripherie eines optischen Sensors
beziehungsweise einer Messkammer oder eines Messraumes angeordnete insbesondere im Wesentlichen plane optische Komponente, wie insbesondere ein aus dem eingangs erwähnten Stand der Technik bekanntes Fenster, stellt selbstredend insbesondere kein Gehäuse eines optischen Sensors dar. Das erfindungsgemäße Gehäuse leitet erfindungsgemäß Licht von der
Lichtquelle zu dem Messraum und von dem Messraum zu dem optischen Detektor. Unter der Leitung von Licht durch das Gehäuse ist im Rahmen der Anmeldung insbesondere eine nicht lediglich passive Durchleuchtung des Gehäuses zu verstehen, sondern insbesondere eine Formung und/oder Führung des Lichtes transversal zu seiner Ausbreitungsrichtung, insbesondere durch
Reflexion, beispielsweise Totalreflexion, an dem optischen Gehäuse. Insbesondere kann zumindest eine Reflexion des Lichts an dem Gehäuse vorgesehen sein, die insbesondere die Ausbreitungsrichtung und/oder eine Strahlform des Lichts beeinflusst. Hierfür können insbesondere Abschnitte des Gehäuses vorgesehen sein, die sich in Ausbreitungsrichtung des Lichts insbesondere verjüngen oder aufweiten und eine Fokussierung oder Kollimierung des Lichts bewirken, oder als Reflektor, insbesondere als gewölbter Spiegel und/oder Axikon, ausgeführte Abschnitte des Gehäuses vorgesehen sein.
Derartige Abschnitte des Gehäuses, die sich in Ausbreitungsrichtung des Lichts insbesondere verjüngen oder aufweiten und eine Fokussierung oder Kollimierung des Lichts bewirken, werden auch als Taper bezeichnet und sind insbesondere auf der der Lichtquelle zugewandten Seite des Gehäuses und/oder insbesondere auf der dem optischen Detektor zugewandten Seite des Gehäuses und/oder insbesondere auf der dem unten noch näher erläuterten optischen
Referenzdetektor zugewandten Seite des Gehäuses vorgesehen.
Insbesondere können die Lichtquelle und/oder der optische Detektor und/oder der optische Referenzdetektor an derartigen Abschnitten angeordnet und/oder fixiert sein, beispielsweise verklebt und/oder verschweißt sein, sodass
Schwankungen beziehungsweise Unsicherheiten im Zusammenhang mit der
Einkopplung und im Zusammenhang mit der Auskopplung von Licht
beziehungsweise Referenzlicht in das beziehungsweise aus dem Gehäuse minimiert werden können. Weisen derartige Abschnitte des Gehäuses, die sich in Ausbreitungsrichtung des
Lichts insbesondere verjüngen und/oder aufweiten und eine Fokussierung oder Kollimierung des Lichts bewirken, eine Mindesterstreckung in
Ausbreitungsrichtung des Lichts, wie beispielsweise 5mm oder sogar 15mm auf, so bewirken sie neben einer Reduktion der Divergenz beziehungsweise neben einer Erhöhung der Konvergenz des Lichts auch einer thermische Entkopplung der elektronischen Komponenten wie beispielsweise der Lichtquelle und/oder dem optischen Detektor und/oder dem optischen Referenzdetektor von dem Messgasraum beziehungsweise der Messgaskammer, sowie eine Mischung und Homogenisierung des Lichts hinsichtlich seiner räumlichen Anteile.
Gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lichtquelle und der optische Detektor auf einer gleichen Seite des Gehäuses an dem Gehäuse angeordnet und/oder fixiert sind. Eine gleiche Seite des Gehäuses ist im Rahmen der Erfindung insbesondere ein Halbraum der durch eine tangentiale Fortsetzung einer Seitenfläche des Gehäuses von dem Halbraum getrennt ist, in dem sich das Gehäuse befindet. Durch diese Maßnahme können elektrische Anschlüsse des Sensors an lediglich dieser Seite des Sensors vorgesehen werden, was die Integration des Sensors in ein Zielsystem
vereinfacht. Gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Teil der Emission der Lichtquelle als Referenzlicht verwendet wird, das ohne
Wechselwirkung mit dem Messgas von dem Gehäuse zu einem optischen Referenzdetektor geleitet wird. Hinsichtlich der Leitung von Referenzlicht durch das Gehäuse gilt insbesondere sinngemäß das oben zur Leitung von Licht durch das Gehäuse Erläuterte. Die Maßnahme hat den Vorteil, dass durch den optischen Detektor erhaltbare Signale daraufhin bewertbar werden, ob sie mit der Konzentration des Bestandteils des Messgases korreliert sind oder nicht, also beispielsweise auf Schwankungen der Leistung der Lichtquelle oder auf mechanische Verformungen des Gehäuses, beispielsweise durch
Wärmeausdehnung, zurückgehen, denn während Änderungen der Konzentration des Bestandteils des Messgases, lediglich Signalanteile in dem Ausgangssignal des optischen Detektors erzeugen, nicht aber in dem Ausgangssignal des optischen Referenzdetektors, bewirken beispielsweise Helligkeitsschwankungen der Lichtquelle oder Verformungen des Gehäuses korrelierte Signalanteile im Ausgangssignal des optischen Detektors und im Ausgangssignal des optischen
Referenzdetektors zugleich.
Eine Bewertung der Ausgangssignale des optischen Detektors und des optischen Referenzdetektors mit dem Ziel, die Konzentration des Bestandteils des Messgases möglichst präzise zu bestimmen, ist mit aus dem Stand der
Technik an sich bekannten Methoden möglich. Beispielsweise kann die Differenz oder der Quotient der Ausgangssignale des optischen Detektors und des optischen Referenzdetektors gebildet werden. Weiterhin kann beispielsweise das Lambert-Beersche Gesetz zugrunde gelegt werden.
Gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass der optische Detektor und der optische Referenzdetektor und optional auch die Lichtquelle auf einer gleichen Seite des Gehäuses an dem Gehäuse angeordnet und/oder fixiert sind. Eine gleiche Seite des Gehäuses ist im Rahmen der Erfindung insbesondere ein Halbraum der durch eine tangentiale Fortsetzung einer Seitenfläche des Gehäuses von dem Halbraum getrennt ist, in dem sich das Gehäuse befindet. Durch diese Maßnahme können elektrische Anschlüsse des Sensors an lediglich dieser Seite des Sensors vorgesehen werden, was die Integration des Sensors in ein Zielsystem vereinfacht. Um durch den optischen Detektor erhaltbare Signale umfassend daraufhin bewerten zu können, ob sie mit der Konzentration des Bestandteils des
Messgases korreliert sind oder nicht, ist gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung vorgesehen, dass das Licht entlang des Weges von der Lichtquelle zu dem optischen Detektor eine Reflexion an einer Seitenfläche des Gehäuses erfährt, an der auch das Referenzlicht eine Reflexion auf dem Weg von der
Lichtquelle zu dem optischen Referenzdetektor erfährt. Schwankt der Grad der Reflexion von Licht an dieser Seitfläche, so führt dies zu korrelierten Anteilen im Ausgangssignal des optischen Detektors und des optischen Referenzdetektors, die, wie oben schon erläutert, als solche erkannt werden können und bei der Bestimmungen der Konzentration des Bestandteils des Messgases
unberücksichtigt bleiben können.
Dies gilt besonders gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung, bei denen vorgesehen ist, dass das Licht entlang des Weges von der Lichtquelle zu dem optischen Detektor Umlenkungen seiner Ausbreitungsrichtung an genau den Seitenflächen des Gehäuses erfährt, an denen auch das Referenzlicht Umlenkungen seiner Ausbreitungsrichtung auf dem Weg von der Lichtquelle zu dem optischen Referenzdetektor erfährt. Gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass das
Gehäuse in einem der Lichtquelle gegenüberliegenden Endabschnitt verjüngt ist. Derartige sich verjüngende Endabschnitte können beispielsweise als konische Abschnitte ausgeführt sein, beispielsweise als Axikon oder als Reflektor mit der Form eines Kugelabschnitts. An dem verjüngten Endabschnitt kann
insbesondere eine Umlenkung des Lichts zurück in Richtung der Lichtquelle erfolgen. Gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse eine prismatische Grundform aufweist, sodass zwischen den
Grundflächen der prismatischen Grundform eine Lichtleitung erfolgt,
insbesondere wenn eine Höhe der prismatische Grundform geringer ist als die
Erstreckung der prismatische Grundform in den beiden transversalen
Richtungen. Auf diese Weise ist in einfach herstellbarer Weise eine effiziente Lichtleitung realisiert. Ferner resultiert aus der prismatische Grundform, dass derartig ausgebildete Gehäuse beziehungsweise Sensoren einfach übereinander gestapelt werden können, insbesondere wenn die Gehäuse beziehungsweise
Sensoren durch eine optische Trennschicht voneinander getrennt sind. Sensoren können so modular und flexibel realisiert werden.
Eine derartige Trennschicht kann beispielsweise eine reflektierende und/oder absorbierende Beschichtungen und/oder Folie sein und/oder ein Cladding sein, dessen Brechungsindex kleiner ist als der des Materials des Gehäuses, sodass ein Übertritt von Licht zwischen den aufeinandergestapelten Gehäusen beziehungsweise Sensoren unterbleibt.
Bei der prismatischen Grundform kann es sich beispielsweise um eine rechtwinklige prismatische Grundform handeln, sodass Seitenkanten der prismatischen Grundform senkrecht zu den Grundflächen orientiert sind.
Unter einer Grundform des Gehäuses ist im Rahmen der Anmeldung
insbesondere eine Form des Gehäuses zu verstehen, die das Gehäuse tatsächlich hat, oder von der die Form des Gehäuses nur geringfügig und/oder höchstens im Bereich einer Dichtscheibe abweicht.
In Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Grundfläche der prismatischen Grundform ein Loch aufweist, sodass durch das Gehäuse der Messraum in den beiden transversalen Richtungen zu einer Messkammer begrenzt wird.
Der Sensor kann weiterhin integriert und damit kompaktifiziert und/oder simplifiziert werden, indem an das Gehäuse ein Gasanschluss einstückig angeformt ist, durch den Messgas in den Messraum gelangen kann. Durch eine insbesondere vorgesehene zylindrische Symmetrie des Sensors oder zumindest des Gehäuses ist der Sensor ohne Rücksicht auf seine
diesbezügliche Orientierung in einem Zielsystem montierbar.
Zusätzlich oder alternativ kann, jeweils weiter vereinfachend, vorgesehen sein, dass die Lichtquelle zwischen dem optischen Detektor und dem Gehäuse angeordnet ist und/oder die Lichtquelle und der optische Detektor auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind.
Gemäß einer zusätzlichen oder alternativen Weiterbildung kann vorgesehen sein, die Lichtquelle und/oder das Gehäuse und/oder den optischen Detektor und/oder den optischen Referenzdetektor an einen oder mehrere aktive und/oder passive Temperaturregler und/oder an ein oder mehrere Kühlelemente thermisch zu koppeln. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Regler handeln, der ein Thermoelement und/oder ein Peltier- Element und/oder eine Wasserkühlung umfasst.
Derartige Einrichtungen sind insbesondere in Sensoren, die auf
Absorptionsspektroskopie beruhen und/oder zur Verwendung im Zusammenhang mit Abgasen von Vorteil, da sie die zuverlässige und präzise Funktion von temperaturempfindlichen Elementen, wie zum Beispiel Leuchtdioden oder Photodetektoren, auch in Umgebungen mit hoher Wärmeentwicklung
beziehungsweise starken Temperaturschwankungen, gewährleisten.
Ferner kann durch die Regelung beziehungsweise Stabilisierung der Temperatur von Elementen wie Leuchtdioden und/oder Photodetektoren, welche
beispielsweise an unterschiedlichen Orten im Sensor vorgesehen sind und potentiell unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind, eine definierte spektrale Emission beziehungsweise Empfindlichkeit sichergestellt werden und damit die Temperaturabhängigkeit der Messung eliminiert beziehungsweise reduziert werden.
Es ist stets möglich die Oberflächen des Gehäuses, die nicht von Licht und/oder Referenzlicht durchleuchtet werden sollen, mit einem Cladding zu versehen, das die Robustheit des Gehäuses weiter erhöht. Der erfindungsgemäße Sensor kann als Abgassensor verwendet werden, aber selbstredend auch als Sensor zur Erkennung von Bränden, zur Messung von Stoffen in Atemgas oder in Flüssigkeiten, in der Werkstattanalytik und/oder dergleichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Figur 2a und 2b zeigen vergrößert die optischen Komponenten des Sensors aus
Figur 1 .
Die Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Figur 4 zeigt eine Variante der vorangehenden Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die Figur 5a und 5b z eigen zwei Varianten eines vierten Ausführungsbeispiels der
Erfindung.
Ausführungsformen
Die Figuren 1 und 2a zeigen ein Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors 1 zur optischen Messung von zumindest einer Konzentration eines Bestandteils eines Messgases, insbesondere zur optischen Messung der Konzentration eines Bestandteils im Abgas eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine. Der optische Sensor 1 weist ein poröses Schutzrohr 30 auf, das einen Schutz
beispielsweise vor festen Abgasbestandteilen, wie beispielsweise Ruß, und/oder vor flüssigen Abgasbestandteilen, wie beispielsweise Kondenswasser, bewirkt, und das mit den Montagemitteln Außengewinde 41 und Außensechskant 42 fest verbunden ist. In dem porösen Schutzrohr 30 ist ein Optiksystem 2 mit einer als UV-Leuchtdiode ausgeführten Lichtquelle 20, mit einer Messkammer 22', mit einem als Photodiode ausgebildeten optischen Detektor 24 und mit einem aus einem optisch transparenten Material gefertigten Gehäuse 10, welches Licht 201 von der Lichtquelle 20 zu der Messkammer 22' und von dem der Messkammer 22' zu dem optischen Detektor 24 leitet, aufgenommen. Messgas tritt durch das poröse Schutzrohr 30 in die Messkammer 22' ein, wie in der Figur 1 durch den mit dem Bezugszeichen 200 versehenen Pfeil dargestellt ist. Das Gehäuse 10 ist einstückig und besteht aus Quarzglas oder einem anderen optisch transparenten, hitzebeständigen Material. Es leitet das Licht 201 ausgehend von der mit dem Gehäuse 10 stoffschlüssig verbundenen Lichtquelle 20 über die in dem Gehäuse 10 ausgebildete Messkammer 22' zu dem mit dem Gehäuse 10 stoffschlüssig verbundenen optischen Detektor 24. Dabei wird das Licht 201 lediglich durch das einstückige Gehäuse 10 von der Lichtquelle 20 zu dem optische Detektor 24 geleitet, es gibt also keine weiteren optische
Komponenten zur Lichtleitung, wie etwa weitere Spiegel, Fenster, Fasern oder dergleichen.
Das Gehäuse 10 weist eine prismatische Grundform auf, sodass zwischen den Grundflächen der prismatischen Grundform eine Lichtleitung erfolgt. Die
Grundfläche der prismatischen Grundform weist ein Loch 221 auf, sodass durch das Gehäuse 20 die Messkammer 22' in den beiden transversalen Richtungen begrenzt wird.
Das Licht 201 wird ausgehend von Lichtquelle 20 durch einen sich in
Ausbreitungsrichtung des Lichts 201 aufweitenden Abschnitt 108, der eine Kollimierung des Lichts bewirkt, zu der Messkammer 22' geleitet und von dort zu einem
der Lichtquelle 10 gegenüberliegenden Endabschnitt 107 des Gehäuses 10 geleitet, in dem das Gehäuse verjüngt ist. An zwei schrägen Seitenflächen 105 des Gehäuses 10 erfolgt eine Reflexion und Umlenkung des Lichts 201 zurück in Richtung der Messkammer 22' und der Lichtquelle 20.
Nach einem zweiten Durchgang des Lichts 201 durch die Messkammer 22' wird das Licht 201 von dem Gehäuse 10 zu dem optischen Detektor 24 geleitet, der an einem in Ausbreitungsrichtung des Lichts 201 verjüngenden Abschnitt 109 des Gehäuses 10 fixiert ist, und eine Fokussierung des Lichts 201 auf den optische Detektor 24 bewirkt.
Neben dem optischen Detektor 24 ist ein optischer Referenzdetektor 26 angeordnet. Die Lichtquelle 20 emittiert von dem Licht 201 räumlich getrennt Referenzlicht 202, dessen optische Leistung zu der optischen Leistung des Lichts 201 , beispielsweise bauartbedingt, in einem festen Verhältnis steht, beispielsweise gleich groß ist.
Das Referenzlicht 202 wird auch ausgehend von der Lichtquelle 20 durch den sich in Ausbreitungsrichtung des Lichts 201 beziehungsweise des Referenzlichts 202 aufweitenden Abschnitt 108, kollimiert. Es tritt aber nicht in die Messkammer
22' ein, sondern wird in dem Gehäuse 10 an der Messkammer 22' vorbei zu dem der Lichtquelle 10 gegenüberliegenden Endabschnitt 107 des Gehäuses 10, in dem das Gehäuse 10 verjüngt ist, geführt. Dort wird es, ebenso wie oben für das Licht 201 beschrieben, an den zwei schrägen Seitenflächen 105 des Gehäuses 10 reflektiert und zurück in Richtung der Lichtquelle 20 umgelenkt. Auch auf dem
Rückweg wird das Referenzlichts 202 in dem Gehäuse 10 an der Messkammer 22' vorbei geführt. Nachfolgend wird es zu dem optischen Referenzdetektor 26 geleitet, der an einem weiteren in Ausbreitungsrichtung des Lichts 201 verjüngenden Abschnitt 109' des Gehäuses 10 fixiert ist, und eine Fokussierung des Referenzlichts 202 auf den optischen Referenzdetektor 26 bewirkt.
Die Oberflächen des Gehäuses 10 können optional Beschichtungen 301 - 308 aufweisen, siehe Figur 2b. Beispielsweise können reflektierende Beschichtungen 301 , 302, 303, 304 an Oberflächen des Gehäuses 10 vorgesehen sein, an denen ein Austritt von Licht 201 aus dem Gehäuse 10 unerwünscht ist, beispielsweise an den Seitenflächen der prismatischen Grundform. Beispielsweise können absorbierende Beschichtungen 307, 308 auf den Grundflächen der prismatischen Grundform vorgesehen sein und so einen Austritt von Licht 201 oder
Referenzlicht 202 aus dem Gehäuse 10 unterdrücken oder auf den nicht von Licht 201 durchstrahlten Seitenwänden der Messkammer 22' angeordnet sein, um einen Eintritt von Referenzlicht 202 in die Messkammer 22' zu unterdrücken. Beispielsweise können Reflexionen vermindernde Schichten 305 auf den von Licht 201 durchstrahlten Seitenwänden der Messkammer 22' angeordnet sein, um diese Durchstrahlung zu optimieren. Beispielsweise kann die der Lichtquelle 20 zugewandte Seitenfläche 306 des Gehäuses 10 im Vergleich zu mindestens einer anderen Außenfläche des Gehäuses 10 aufgeraut sein, um eine homogenere Lichtverteilung im Gehäuse 10 zu bewirken.
Alternativ zu den Beschichtungen 301 , 302, 303, 304, 307 und 308 oder zusätzlich zu den Beschichtungen 301 , 302, 303, 304, 307 und 308, außen auf dem Gehäuse 10, kann ein (nicht gezeichnetes) Cladding vorgesehen sein, das die Robustheit des Gehäuses weiter erhöht.
Es ist auch möglich, an der Seitenfläche 306 eine optisch und/oder spektral filternde Beschichtung vorzusehen, die sicherstellt, dass die Wellenlänge des in das Gehäuse 10 eingeleiteten Licht 201 beziehungsweise Referenzlicht 202 weitgehend konstant ist und für Absorptionsmessungen mit hoher Genauigkeit verwendet werden kann.
Eine Dichtscheibe 51 ist an dem prismatischen Grundkörper des Gehäuses 10 einstückig angeformt. Die Dichtscheibe fixiert zum einen das Gehäuse 10 in dem
Schutzrohr 30. Zum anderen trennt es den mit dem Messgas kommunizierenden Bereich des Sensors 1 von einem Bereich, in dem die Lichtquelle 20, der optische Detektor 24 und der optische Referenzdetektor 26 angeordnet sind. Figur 3 zeigt einen Sensorstapel 1 1 1 , der drei aufeinander gestapelte
Optiksysteme 2, 2', 2" wie sie mit Bezug auf die Figuren 2a und 2b oben beschrieben sind, aufweist.
Die Gehäuse 10, 10', 10" der einzelnen Optiksysteme 2, 2', 2" sind so übereinander gestapelt, dass sich eine durchgängige Messkammer 22' ergibt.
Zwischen den einzelnen Optiksystemen 2, 2', 2" beziehungsweise Gehäusen 10, 10', 10" sind Trennschichten 15, 15' vorgesehen. Die Trennschichten 15, 15' können beispielsweise reflektierende und/oder absorbierende Beschichtungen und/oder Folien sein und/oder Claddings, deren Brechungsindizes kleiner sind als der des Materials des Gehäuses 10, also im Beispiel kleiner als der von
Quarzglas, sodass ein Übertritt von Licht 201 und/oder Referenzlicht 202 zwischen den aufeinandergestapelten Gehäusen 10, 10', 10" unterbleibt.
Die drei in der Figur gezeigten Lichtquellen 20, 20', 20" können beispielsweise UV-Leuchtdioden sein, von denen eine erste Licht der Wellenlänge 217nm, von denen eine zweite Licht der Wellenlänge 227nm und von denen eine dritte Licht der Wellenlänge 403nm emittiert. Solch ein Sensorstapel kann demnach zur gleichzeitigen und voneinander unbeeinflussten Messung der Konzentrationen der Stoffe NH3, NO und NO2 im Abgas einer Brennkraftmaschine verwendet werden. Der in der Figur 3 gezeigte Sensorstapel 1 1 1 kann selbstverständlich, mit den in der Figur 1 dargestellten Komponenten poröses Schutzrohr 30, Außengewinde 41 , Außensechskant 42 und Dichtscheibe 51 so wie es dort gezeigt ist, weitergebildet werden und beispielsweise in einem Abgastrakt einer
Brennkraftmaschine, zum Beispiel in einer Einrichtung zur
Abgasnachbehandlung, montiert werden.
Es ist auch möglich, den Sensorstapel 1 1 1 an den nicht zur Ein- oder
Auskopplung von Licht 201 und/oder Referenzlicht 202 vorgesehenen
Oberflächen mit einem Cladding zu versehen.
Figur 4 zeigt die Weiterbildung durch einen an das Gehäuse 10 einstückig angeformten Gasanschlusses 17, durch den Messgas in den Messraum 22 gelangen kann. Eine derartige Weiterbildung ist sowohl bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Sensor 1 möglich, als auch bei dem in der Figur 3 gezeigten Sensorstapel 1 1 1 .
Die Figur 5a zeigt eine erste Variante eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung. Es weist ein Optiksystem 2 mit einer als UV-Leuchtdiode ausgeführten Lichtquelle 20, mit einem Messraum 22, mit einem als Photodiode ausgebildeten optischen Detektor 24 und mit einem aus einem optisch transparenten Material gefertigten Gehäuse 10, welches Licht 201 von der Lichtquelle 20 zu dem Messraum 22 und von dem Messraum 22 zu dem optischen Detektor 24 leitet, auf.
Das Gehäuse 10 ist einstückig, weist eine zylindrische Symmetrie auf und besteht aus Quarzglas oder einem anderen optisch transparenten,
hitzebeständigen Material. Es leitet das Licht 201 ausgehend von der mit dem Gehäuse 10 stoffschlüssig verbundenen Lichtquelle 20 zu einem auf der gegenüberliegenden Seite einstückig an das Gehäuse 10 angeformten Axikon 1 15, an dem das Licht umgelenkt wird. Nach Durchgang durch den Messraum 22, der zwischen dem Axikon 1 15, dem zentralen Teil des Gehäuses 10 und der Dichtscheibe 51 angeordnet ist, gelangt das Licht 201 zu dem mit dem Gehäuse 10 stoffschlüssig verbundenen optischen Detektor 24.
Das Licht 201 wird wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen lediglich durch das Gehäuse 10, also ohne weitere optische Komponenten von der Lichtquelle 20 zu dem optischen Detektor 24 geleitet.
Zwischen dem optischen Detektor 24 und der Lichtquelle 20 ist ferner ein optischer Referenzdetektor 26 angeordnet. Die Lichtquelle 20 emittiert von dem Licht 201 räumlich getrennt Referenzlicht 202, dessen optische Leistung zu der optischen Leistung des Lichts 201 , beispielsweise bauartbedingt, in einem festen Verhältnis steht, beispielsweise gleich groß ist.
Das Referenzlicht 202 wird auch ausgehend von der Lichtquelle 20 zu dem an das Gehäuse 10 angeformten Axikon 1 15 geleitet und dort auch umgelenkt. Es gelangt jedoch nachfolgend nicht zu dem Messraum 22, sondern wird in dem zentralen Teil des Gehäuses 10 zu dem optischen Referenzdetektor 24 geleitet.
Der optische Detektor 24, der Referenzdetektor 26 und die Lichtquelle 20 sind übereinander angeordnet und an einander und an dem Gehäuse 10 fixiert. Sie weisen zusammen mit dem Gehäuse 10 eine zylindrische Symmetrie auf.
In einer nicht dargestellten Variante wäre es auch möglich, dass der optische Detektor 24, der Referenzdetektor 26 und die Lichtquelle 20 nicht übereinander, sondern nebeneinander auf der Platine 70 angeordnet sind. Sie können beispielsweise gemeinsam auf der Platine 70 prozessiert sein.
Der in der Figur 5a gezeigte Sensor 1 kann selbstverständlich mit den in der Figur 1 dargestellten Komponenten poröses Schutzrohr 30, Außengewinde 41 , Außensechskant 42 und Dichtscheibe 51 weitergebildet und beispielsweise in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine montiert werden.
Die in der Figur 5b gezeigte zweite Variante unterscheidet sich von der in der Figur 5a gezeigten Variante dadurch, dass an Stelle des an das Gehäuse 10 einstückig angeformten Axikons 1 15 ein an das Gehäuse 10 einstückig angeformter gewölbter Spiegel 1 16 tritt.
Auch bei den in den Figuren 5a und 5b gezeigten Varianten ist es möglich, das Gehäuse 10 an den nicht zur Ein- oder Auskopplung von Licht 201 und/oder Referenzlicht 202 vorgesehenen Oberflächen mit einem Cladding zu versehen. Die Erfindung ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen gezeigten
Gehäuseformen beschränkt; vielmehr kann die Form des Gehäuses 10 an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Es ist in allen Ausführungsbeispielen möglich, eine Lichtquelle 20 zu verwenden, die mehrere Lichtquellen 20 umfasst, welche Licht 201 beziehungsweise
Referenzlicht 202 mit zueinander unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, beispielsweise ein Leuchtdiodenarray, das drei Leuchtdioden beispielsweise auf einem einzigen strukturierten Wafer umfasst, von denen eine erste
beispielsweise Licht der Wellenlänge 217nm emittiert, von denen beispielsweise eine zweite Licht der Wellenlänge 227nm emittiert und von denen eine dritte beispielsweise Licht der Wellenlänge 403nm emittiert. Selbst wenn nur ein einziger optischer Detektor 24 und optional ein einziger optischer
Referenzdetektor 26 vorgesehen ist, ist es in diesem Beispiel möglich, in sequentiell ausgeführten Messungen die Konzentrationen der Stoffe NH3, NO und NO2 im Abgas einer Brennkraftmaschine mit hoher zeitlicher Auflösung zu messen.
In allen Ausführungsbeispielen kann es in dem Fachmann an sich bekannter Art und Weise vorgesehen sein, die Lichtquelle 20 und/oder das Gehäuse 10 und/oder den optischen Detektor 24 und/oder der optischen Referenzdetektor 26 an einen oder mehrere aktive und/oder passive Temperaturregler und/oder an ein oder mehrere Kühlelemente thermisch zu koppeln. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Regler handeln, der ein Thermoelement und Peltier- Element aufweist, und/oder um eine Wasserkühlung handeln und/oder um einen Regler, der eine Wasserkühlung umfasst.

Claims

Ansprüche
1 . Optischer Sensor zur optischen Messung von zumindest einer
Konzentration eines Bestandteils einer Flüssigkeit oder eines Messgases, insbesondere zur optischen Messung der Konzentration eines Bestandteils im Abgas eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine, mit einer Lichtquelle (20), mit einem Messraum (22), mit einem optischen Detektor (24) und mit einem aus einem optisch transparenten Material gefertigten Gehäuse (10), welches Licht (201 ) von der Lichtquelle (20) zu dem Messraum (22) und von dem Messraum (22) zu dem optischen Detektor (24) leitet.
2. Optischer Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) einstückig aus dem optisch transparenten Material gefertigt ist und das Licht (201 ) von der Lichtquelle (20) über den Messraum (22) zu dem optischen Detektor (24) lediglich durch das Gehäuse (10) geleitet wird.
3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht (201 ) im Inneren des Gehäuses (10) zumindest eine Reflexion erfährt, die insbesondere die Ausbreitungsrichtung des Lichts (201 ) beeinflusst und/oder die insbesondere eine Strahlform des Lichts (201 ) transversal zu seiner Ausbreitungsrichtung beeinflusst.
4. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Gehäuse (20) eine oder mehrere Beschichtungen (301 - 308) vorgesehen sind, deren Wechselwirkung mit Licht (201 , 202) zu dessen Absorption und/oder zu dessen Reflexion und/oder zu dessen Streuung und/oder zu dessen Filterung führt.
5. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (20) und der optische Detektor (24) auf einer gleichen Seite (101 ) des Gehäuses (10) angeordnet sind, insbesondere fixiert sind.
6. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) Referenzlicht (202) von der Lichtquelle (20) ohne Wechselwirkung mit dem Messgas zu einem optischen
Referenzdetektor (26) leitet.
7. Optischer Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Detektor (24) und der Referenzdetektor (26), und insbesondere auch die Lichtquelle (20), auf einer gleichen Seite (101 ) des Gehäuses (10) angeordnet sind, insbesondere fixiert sind.
8. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht (201 ) entlang des Weges von der Lichtquelle (20) zu dem optischen Detektor (24) eine Reflexion an einer Seitenfläche (105) des Gehäuses erfährt, an der auch das Referenzlicht (202) eine Reflexion auf dem Weg von der Lichtquelle (20) zu dem optischen Referenzdetektor (26) erfährt, insbesondere dass das Licht entlang des Weges von der Lichtquelle (20) zu dem optischen Detektor (24) Umlenkungen seiner Ausbreitungsrichtung an genau den Seitenflächen (105) des Gehäuses (10) erfährt, an denen auch das Referenzlicht (202) Umlenkungen seiner Ausbreitungsrichtung auf dem Weg von der Lichtquelle (20) zu dem optischen Referenzdetektor (26) erfährt.
9. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) in einem der Lichtquelle (20) gegenüberliegenden Endabschnitt (107) verjüngt ist, sodass dort eine
Umlenkung des Lichts (201 ) zurück in Richtung der Lichtquelle (20) erfolgt.
10. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) eine prismatische Grundform aufweist, sodass zwischen den Grundflächen der prismatischen Grundform eine
Lichtleitung erfolgt, und die Grundfläche der prismatischen Grundform ein Loch
(221 ) aufweist, sodass durch das Gehäuse (20) der Messraum (22) in den beiden transversalen Richtungen zu einer Messkammer (22') begrenzt wird.
1 1 . Optischer Sensor, ausgebildet als Sensorstapel (1 1 1 ), umfassend mindestens zwei optische Sensoren (1 , 1 ') nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuse (10, 10') dieser mindestens zwei optischen Sensoren (1 , 1 ') übereinandergestapelt und durch eine optische Trennschicht (15) voneinander getrennt sind.
12. Optischer Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an das Gehäuse (10) ein Gasanschluss (17, 17') angeformt ist, durch den Messgas in den Messraum (22) hinein und/oder aus dem Messraum (22) heraus gelangen kann.
13. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch
gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) oder der optische Sensor (1 ) eine zylindrische Symmetrie aufweist.
14. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (20) zwischen dem optischen Detektor (24) und dem Gehäuse (10) angeordnet ist.
15. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (20) und der optische Detektor (24) auf einer gemeinsamen Platine (70) angeordnet sind.
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