WO2021004874A1 - Optische messanordnung und gassensor mit derselben - Google Patents

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WO2021004874A1
WO2021004874A1 PCT/EP2020/068627 EP2020068627W WO2021004874A1 WO 2021004874 A1 WO2021004874 A1 WO 2021004874A1 EP 2020068627 W EP2020068627 W EP 2020068627W WO 2021004874 A1 WO2021004874 A1 WO 2021004874A1
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hollow
spiral
hollow body
light
optical measuring
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PCT/EP2020/068627
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Inventor
Farhang Afshar
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Publication date
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    • 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
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    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G01N2021/3513—Open path with an instrumental source

Definitions

  • the present invention relates to an optical measuring arrangement, in particular for a non-dispersive infrared sensor (NDIR) or another spectroscopic device.
  • NDIR non-dispersive infrared sensor
  • the invention also relates to a gas sensor with such an optical measuring arrangement and a corresponding operating method.
  • Non-dispersive infrared sensors are typically used for spectroscopic examinations of gases in order, for example, to make a concentration of certain gas components, such as CO, CO 2 or hydrocarbons, in a gas mixture more characteristic of the gas molecules concerned
  • IR infrared range
  • optical path length between the light source and the light detector should be long enough to achieve measurable absorption by the gas molecules in question.
  • An increase in the optical path length usually leads to larger sensor dimensions.
  • US 2003/0058439 A1 proposes a gas cell with a hollow chamber for a predetermined gas volume, which is delimited, inter alia, by a first partially elliptical mirror surface and two further partially elliptical mirror surfaces opposite this.
  • the gas cell further comprises a light source and one or more detectors suitable for detecting a light generated by the light source.
  • the partially elliptical mirror surfaces are arranged relative to one another in such a way that a maximum possible optical path length for this arrangement is achieved for a light beam that is derived from the aforementioned
  • Mirror surfaces is reflected and reaches one of the detectors. Specifically, this is a very flat hollow chamber which is delimited in the lateral direction by the aforementioned mirror surfaces.
  • Another gas sensor is known from WO 98/09152, which has three concave mirrors each shaped as part of an ellipsoid in order to extend the optical path length in a gas cell with limited dimensions. Constructions with three opposite concave mirror surfaces are, however, comparatively complex to manufacture and can also be sensitive to one with respect to the
  • US 2007/0279633 A1 therefore proposes a further optical gas sensor, in particular an NDIR sensor for measuring a CO 2 concentration, with an enlarged optical path length.
  • This gas sensor has a gas chamber for receiving a gas to be examined, the wall of the gas chamber being formed by two opposing concave mirrors with different focal lengths, but a common focal point.
  • Another optical hollow chamber for an NDIR gas sensor with an enlarged optical path length is known from US 2009/0135415 A1 and has two
  • Hollow chamber a beam path occurrence that deviates from the focal point.
  • US 2005/0180889 A1 proposes a gas analysis arrangement with a somewhat curved shape between light-emitting means and light-receiving means
  • the arcuate chamber in the vicinity of the light-emitting means can have a square, partially elliptical or partially circular cross-section, the light-emitting means in each case in the center, i. H. the geometric center, the square, the ellipse or the circle are arranged.
  • the arc shape of the chamber can in particular represent a partially circular arc, alternatively also with a cylindrical or elliptical instead of the circular curvature and forms an arcuate concave light-reflecting surface for a diverging or diffuse light beam propagating inside the chamber.
  • the length of the arch results in a corresponding length of the gas analysis arrangement, whereby the optical
  • This object is achieved by an optical measuring arrangement with the features of claim 1 and by a corresponding gas sensor with the features of claim 14 and by a method for its operation according to claim 15.
  • the starting point is an optical measuring arrangement, especially for one
  • the optical measuring arrangement comprises a tubular section-shaped hollow body with a first end and an opposite second end.
  • a central axis is also defined as a purely theoretical support aid, which extends centrally through the hollow body from its first to its second front end and, in the simple case, can represent a straight line, but generally also a curved line.
  • a spiral hollow light guide is formed in an inner surface of the hollow body by the inner surface of the hollow body at least partially made of a light-reflecting material and in the form of a around the central axis of the
  • the optical measuring arrangement has a light source which, for. B. one or more LEDs (light emitting diode (s)), wherein the light source is arranged within the hollow spiral at a first spiral end, which is at or closer to the first end face of the hollow body, and is designed to be a
  • the optical measuring arrangement has a light detector suitable for the light emitted by the light source, which z. B. may comprise one or more photodiode (s), wherein the light detector is arranged in the second spiral end and is designed to detect (receive) the light beam emerging therefrom and to output an electronic measurement signal depending on the light signal detected in this way.
  • a light detector suitable for the light emitted by the light source which z. B. may comprise one or more photodiode (s), wherein the light detector is arranged in the second spiral end and is designed to detect (receive) the light beam emerging therefrom and to output an electronic measurement signal depending on the light signal detected in this way.
  • Construction can be realized in principle of any length optical path length, whereby, for example, a correspondingly high and thus easily measurable absorption by a substance to be examined in the light guide can be achieved.
  • the optical losses on the light path between the light source and the light detector can also be minimized, thus achieving a good signal-to-noise ratio.
  • NDIR non-dispersive infrared sensors
  • gases in particular for spectroscopic examinations of gases, in order to determine, for example, a concentration of certain gas components such as CO, CO 2 or
  • the optical detector to determine electromagnetic radiation.
  • Measuring arrangement of the type set out here has a particular advantage that the gas to be examined is particularly easy to feed into the hollow light guide, in particular without having to diffuse into it. Due to the hollow cross-section of the hollow spiral, which is open to the central axis of the hollow body, the gas to be investigated can be introduced into or out of the hollow body in a simple manner at the end faces of the hollow body and fills the hollow light guide practically without any appreciable time delay, i.e. immediately.
  • the optical path length between the light source and the light detector should be long enough to achieve measurable absorption by the gas molecules in question. An increase in the optical path length, however, usually leads to larger sensor dimensions.
  • the hollow cross-section of the hollow spiral which is open to the central axis of the hollow body, the gas to be investigated can be introduced into or out of the hollow body in a simple manner at the end faces of the hollow body and fills the hollow light guide practically without any appreciable time delay, i.e. immediately.
  • Light intensity with a longer light path is usually also lower due to higher optical losses different from the desired gas absorption, which can lead to a poorer signal-to-noise ratio.
  • the hollow cross-section of the hollow spiral does not necessarily have to remain constant along the hollow spiral for the functionality presented here, but the latter represents a particularly relevant and favorable case in practice.
  • the hollow cross-section is therefore mostly used here.
  • this is not to be understood as restrictive and should be understood as the “respective hollow cross section” in the always possible case of a hollow cross section varying along the hollow vars.
  • Hollow spiral can be selected depending on the specific geometric configuration in a particular application so that, for example, through multiple reflections of the light beam inside the hollow spiral that are as flat as possible, as high a proportion as possible of the light radiated into the hollow spiral at the first spiral end arrives at the second spiral end at the detector. In principle, there are no limits for this proportion due to the construction described,
  • the light reflective material can e.g. B. have the best possible reflection properties for the light used in the optical measuring arrangement depending on the application. Purely by way of example, this usually refers to electromagnetic radiation in the infrared range, while other spectral ranges such. B. can just as well be implemented in and around the visible spectral range in the optical measuring arrangement of the type set out herein.
  • Suitable light reflecting materials are the Known to those skilled in the art. In particular, the roughness of a suitable light-reflecting material can be about 1/10 to% of the mean wavelength of the
  • Suitable materials are about metals, such as. B. gold, silver, aluminum, which is the material of the hollow body or a coating of another material, such as. B. plastic, manufactured hollow body can act.
  • the light source can, but does not have to, include a collimator. It is also basically not necessary to couple light into the hollow light guide, since an LED chip positioned, for example, perpendicular to a turn of the hollow spiral at its first spiral end emits the light directly into the hollow spiral. The same also applies accordingly to the detector at the second end of the spiral.
  • the hollow cross-section of the hollow spiral is designed symmetrically with respect to an apex line of the hollow spiral and as part of an ellipse.
  • the said part of the ellipse includes a first focal point of the ellipse.
  • This configuration of the light guide can in particular favor the multiple reflections of a bundle of light rays emitted by the light source inside the hollow spiral, so that a large part of the bundle of light rays does not leave the light guide and arrives at the second end of the spiral at the light detector (hereinafter referred to as the optical properties of the light guide).
  • the optical properties of the light guide particularly low optical losses - apart from the desired absorption in a medium to be examined such as a gas - can be achieved on the path of the light beam through the hollow spiral to the light detector.
  • the light source arranged at the first end of the spiral is attached in the first focal point of the ellipse, in particular centered around it.
  • the one on the second can also be used to intensify the mentioned effect
  • Light detector arranged at the end of the spiral can be arranged in the same, first focal point of the ellipse, in particular centered around it.
  • the respective second focal point of an ellipse of a respective hollow cross section of the hollow spiral lies on the central axis of the hollow body at every position along the central axis of the hollow body.
  • the hollow light guide, ie the hollow spiral is formed in that the said ellipse is rotated about its second focal point, with a simultaneous, in particular uniform, translational movement of the ellipse in a direction perpendicular to its plane, ie in the direction the central axis of the hollow body.
  • the ratio of the major axis of the ellipse to the minor axis of the ellipse is at least 1, 3; preferably at least 1.5; more preferably at least 1, 6 or even higher, such as. B. about 1.8; 2.0; 2.2 or higher.
  • a practically particularly favorable ratio of the major to the minor axis of the ellipse can be about 5/3.
  • the optical properties of the light guide described above it can be particularly favorable for the optical properties of the light guide described above to have an ellipse as narrow as possible for the hollow cross-section of the hollow spiral (i.e. with the largest possible ratio of the major to the minor axis ) and / or a position of the first focal point on the as near as possible in relation to the part of the elliptical surface forming the hollow cross section of the hollow spiral
  • structurally related limits can be fed into the hollow spiral solely by a lateral size of the light source and an intensity and divergence of a light source from the light source
  • the hollow spiral can have at least 0.5 of a full turn, preferably 0.8 to 5 full turns, more preferably 1.5 to 3 full turns, from the first spiral end to the second spiral end Include turns.
  • a particularly favorable compromise between the longest possible optical path length on the one hand and the lowest possible undesirable optical losses in the light propagation in the light guide on the other hand can be achieved, for example, with a hollow spiral that is about 2 full from its first spiral end to its second spiral end Includes turns.
  • the optical measuring arrangement can further comprise a common flat printed circuit board on which both the light source and the light detector are arranged, in particular bonded. This can result in a structure that is particularly favorable, for example, with regard to production.
  • the common circuit board can, for example, also have an electronic circuit to support control of the light source and / or the light detector and / or reading out the light detector, such as e.g. B. an amplifier in the form of a pre-amplifier ASIC (English for: application specific integrated circuit) include.
  • an amplifier in the form of a pre-amplifier ASIC English for: application specific integrated circuit
  • the light source and the light detector in the hollow spiral can be arranged at opposite ends of a diameter of the hollow body and the common circuit board can be attached to the hollow body in such a way that its central axis is essentially in a plane of the
  • both ends of the hollow body can be open, ie limited only by respective edges of its tubular wall, or closed and have openings for admitting a gas to be examined into the hollow body and for discharging the gas therefrom.
  • the optical measuring arrangement can furthermore comprise a control unit for controlling the light source and / or the light detector and / or for reading out the light detector and / or for evaluating the electronic measurement signal output by the latter.
  • control unit can be arranged at least partially in an interior of the hollow body, in particular close to or on its central axis, the interior of the hollow body being delimited radially by a spatial region occupied by the hollow spiral and axially by its two front ends.
  • the invention also provides a gas sensor, in particular a non-dispersive infrared sensor (NDIR), which comprises an optical measuring arrangement of the type set out herein, which has an above-mentioned control unit and for admitting a gas to be examined into the hollow body and for discharging the gas from this both ends of the hollow body are open or else are closed and have openings.
  • NDIR non-dispersive infrared sensor
  • the first end of the hollow body or an opening arranged therein can serve as a gas inlet and the second end of the hollow body or an opening arranged therein can serve as a gas outlet for the gas to be examined, or vice versa.
  • the gas sensor can also have a user interface for operating and / or monitoring the gas sensor, such as. B. a display with or without input options for a user.
  • Spectral analysis of a gas can include the following steps, for example:
  • FIG. 2 shows the optical measuring arrangement of FIG. 1 in a partially transparent manner
  • FIG. 3a shows a perspective view of a flea body of the optical measuring arrangement of FIG. 1;
  • Fig. 3b is a partially cross-sectional perspective view of the
  • FIG. 4 shows a perspective view of a common flat printed circuit board of the optical measuring arrangement of FIG. 1, which carries both the light source and the light detector;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a further perspective view of a
  • optical measuring arrangement according to an embodiment of the invention according to a computer simulation
  • FIG. 6 is a perspective view of the expansion of a light source in FIG.
  • Figure 7 is a perspective view of the expansion of one of a collimated
  • FIG. 8 shows a schematic block diagram of a gas sensor according to a
  • Embodiment of the invention with an optical measuring arrangement according to the invention Embodiment of the invention with an optical measuring arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 and 2 schematically show a perspective view of an optical measuring arrangement 1 according to an embodiment of the invention, FIG. 2 showing a partially transparent view otherwise corresponding to FIG. 1 for better visibility of details hidden inside the optical measuring arrangement 1 .
  • the optical measuring arrangement 1 is in particular for a
  • Non-dispersive infrared sensor can be used for optical analysis of gases.
  • the optical measuring arrangement 1 comprises a tubular section-shaped hollow body 2 with a first end 3, which is open in this example, and an opposite, likewise open, second end 4.
  • the hollow body 2 here has a cylindrical outer surface 2a with a circular cross-section
  • the tubular-section-shaped hollow body 2 is not limited to such a circular cylindrical shape of its outer surface 2a, but can in principle be designed as desired on the outside.
  • a central axis C of the hollow body 2 is also indicated schematically in Fig. 1, which extends centrally through an interior 2b of the hollow body 2 from its first end 3 to its second end 4 and is a straight line in the simple case shown .
  • a spiral hollow light guide is formed in that the inner surface 5 of the hollow body 2 consists of a
  • Hollow body 2 winding hollow spiral 6 is formed with a towards the central axis C open hollow cross-section.
  • the hollow cross-section of the hollow spiral 6 can be clearly seen in particular in the cross-sectional illustration of FIG. 3b.
  • the light reflective material can e.g. B. best possible reflective properties for that depending on
  • Spectral ranges z. B. can be used in and around the visible spectral range.
  • Suitable light-reflecting materials are known to those skilled in the art, such as. B. metals such as gold, silver or aluminum etc, which is the material of the hollow body 2 or a coating of the inner surface 5 in one of the other
  • Material such as B. plastic, manufactured hollow body 2 can act.
  • the optical measuring arrangement 1 has a light source 7 concealed in FIG. 1 (see FIG. 2), which is designed here purely by way of example as an LED (light-emitting diode), as well as a light detector 8 suitable for the light emitted by the light source 7 ( in Fig. 1 also covered, see. Fig. 2), which here, purely by way of example, comprises two photodiodes.
  • both the light source 7 and the light detector 8 are bonded on a common flat printed circuit board 9 shown separately in FIG.
  • the common circuit board 9 can have an electronic circuit supporting the control of the light source 7 and / or the light detector 8, such as, for. B. an amplifier in the form of a pre-amplifier ASIC (English for: application specific integrated circuit) include.
  • the light source 7 is arranged and designed within the hollow spiral 6 at its first spiral end 6a (covered in FIG. 1, cf. FIG. 2), which is closer to the first end 3 of the hollow body 2, in such a way that, during operation of the optical
  • Measuring arrangement 1 emits a bundle of light rays into the hollow spiral 6 tangentially or along the turns of the hollow spiral 6, so that it emerges after several reflections within the hollow spiral 6 from a second spiral end 6b located on the second end face 4 of the hollow body 2.
  • the light detector 8 is in the second
  • Spiral end 6b is arranged and designed in such a way that it detects the bundle of light rays emerging therefrom during operation of the optical measuring arrangement 1, i. H. receives, and depending on the thus detected light signal outputs an electronic measurement signal that can be evaluated, for example, by a suitable control unit.
  • a light-emitting surface 7a of the light source 7 and light-receiving surfaces 8a of the photodiodes of the light detector 8 are each perpendicular to the direction of the turns of the hollow spiral 6, in other words in a plane of the first spiral end 6a and the second spiral end 6b, which in Fig. 2 with the respective
  • Hollow cross-section of the hollow spiral 6 coincide, arranged and aligned. With this positioning, the light source 7 can emit the light directly into the hollow spiral 6. The same applies accordingly to the light detector 8. Therefore, the light source 7 can, but does not necessarily have to, include a collimator. For this reason it is also not necessary to couple light into the hollow light guide. With such a, as a hollow spiral 6 in the inner surface 5 of the
  • Hollow light guide formed in the form of tubular section-shaped hollow body 2 can be used in a very small installation space, which basically corresponds to the outer dimensions of hollow body 2, a spectroscopic device with a due to the simple scalability of the
  • Construction can be realized in principle of any length optical path length, which corresponds in Fig. 1 and 2 to the length of the hollow spiral 6 from its first spiral end 6a to its second spiral end 6b. In this way, for example, a correspondingly high and thus easily measurable absorption can be achieved by a gas to be examined in the light guide.
  • a gas to be examined in the light guide in this example, which (as for example at the in Figs.
  • an outer diameter of the hollow body 2 can for example be between about 16 and 20 mm, in particular about 18 mm, and its measured along the central axis C.
  • the length can be, for example, about 5 to 6 mm, which overall enables a significant reduction in the overall size of a gas sensor with a comparable optical path length compared to known devices.
  • the number of turns of the hollow spiral 6 is basically not subject to any constructional limits, and with a suitable optical configuration of the hollow spiral 6 and the relative arrangement of the light source 7 and the light detector 8 (some examples are given below), the optical losses can also occur the light path between light source 7 and light detector 8 can be minimized and thus a good signal-to-noise ratio can be achieved.
  • good optical properties have been achieved with regard to the measurement sensitivity on the one hand and the signal-to-noise ratio on the other hand for two full turns of the hollow spiral 6.
  • optical measuring arrangement 1 is for spectroscopic examinations of gases, for example in an NDIR sensor, in order to determine, for example, a concentration of certain gas components such as CO, CO2 or
  • Hydrocarbons in a gas mixture due to gas molecules in question characteristic absorption curves in the infrared range of electromagnetic radiation to be determined.
  • the optical measuring arrangement 1 offers a particular advantage that the gas to be examined can be fed to the hollow light guide through the open end faces 3 and 4 of the hollow body 2 in a particularly simple manner, in particular without having to diffuse into it. This is indicated schematically in FIG. 1 by arrows G. Due to the hollow cross-section of the hollow spiral 6 which is open to the central axis C of the hollow body 2, the gas to be examined can be introduced into or out of the hollow body in a simple manner at the end faces of the hollow body and fills with practically no appreciable time delay, i.e. H. immediately, including the light guide.
  • the light source 7 and the light detector 8 in the hollow spiral 6 are also arranged at opposite ends of a diameter of the hollow body 2, so that the common circuit board 9 can be attached to the hollow body 2 in such a way that its central axis C is essentially in one plane the common circuit board 9 is located.
  • This can be particularly favorable with regard to production.
  • such a planar assembly of the common printed circuit board 9 aligned along the central axis C of the hollow body 2 can be achieved
  • FIG. 3a shows separately the hollow body 2 of the optical measuring arrangement of FIGS. 1 and 2 in a perspective view which is spatially rotated compared to FIGS. 1 and 2 and which enables a better view of the two spiral ends 6a and 6b.
  • FIG. 3b shows a lower partial half of a hollow body 2 of FIG. 3a cut through along the spiral ends 6a and 6b, in order to simplify the following explanation of the geometric configuration of the hollow spiral 6.
  • the hollow cross-section of the hollow spiral 6 remains constant along the hollow spiral 6, which is, however, for the functionality presented here is not absolutely necessary, but can represent a particularly relevant and favorable case in practice.
  • the flea cross-section of the hollow spiral 6 is symmetrical with respect to an apex line S (of which only one point can be seen in FIG. 3b at the section through the hollow body 2) of the hollow spiral 6 and as part formed an ellipse.
  • the mentioned part of the ellipse includes a first focal point of the ellipse, which can be seen in FIG. 2 in that the light source 7 or the two photodiodes of the light detector 8 are arranged in this first focal point of the ellipse.
  • Such a configuration of the hollow light guide and arrangement of the light source 7 and the light detector 8 can in particular favor multiple reflections of a light beam emitted by the light source 7 inside the hollow spiral 6 so that a large part of the light beam does not leave the hollow light guide and arrive at the second spiral end 6b at the light detector 8 .
  • particularly low optical losses - apart from the desired absorption in a gas to be examined - can be achieved on the path of the light beam through the hollow spiral 6 to the light detector 8.
  • the respective second focal point of an ellipse of a respective hollow cross-section lies in the optical measuring arrangement 1 shown in the figures
  • the hollow light guide ie. H. the hollow spiral 6, formed in that said ellipse is rotated about its second focal point, with a simultaneous, in particular uniform, translational movement of the ellipse in a direction perpendicular to its plane, d. H. in the direction of the central axis C of the hollow body 2.
  • the figures illustrate a specific example of a favorable ratio of the major to the minor axis of the ellipse of about 5/3.
  • construction-related limits can be determined solely by a lateral size of the light source 7 and / or an intensity as well
  • Be set of light rays The specific geometric parameters mentioned in this example can be e.g. B. for an application with a light source 7 with a lateral direction, d. H. along that shown in Figs
  • FIG. 5 a further perspective view of an optical measuring arrangement 1, the configuration of which corresponds to that of FIGS. 1 to 5, according to a computer simulation for examining the propagation of light in its light guide is shown in a schematic representation.
  • FIG. 6 shows the corresponding simulation result for the propagation of a light beam L1 emitted by a light source 7 in the form of a Lambert radiator in the optical measuring arrangement 1 of FIG. 5.
  • FIG. 7 shows the corresponding simulation result for the propagation of a light beam L1 emitted by a light source 7, which comprises a collimator, emitted collimated light beam L2 in the optical measuring arrangement 1 of FIG. 5.
  • a large part of the light beam L1 or L2 remains in the multiple reflections in the hollow spiral 6 in its interior, so does not leave the hollow light guide and therefore arrives at the light detector 8 at the second spiral end 6b.
  • FIG. 8 shows a schematic block diagram of a gas sensor 10 according to the invention, in particular a non-dispersive infrared sensor (NDIR), which comprises an optical measuring arrangement 1 of the type set out here, which can be designed in particular as in FIGS. 1 to 7.
  • NDIR non-dispersive infrared sensor
  • Spiral hollow light guide formed on the inner surface, front ends 3 and 4 of the hollow body formed as gas inlet and gas outlet, the light source 7 and the light detector 8 are indicated purely schematically.
  • the gas sensor 10 has a control unit 11, which for example at least partially in an interior 2b of the hollow body 2, in particular close to or on its central axis C (see. Fig. 1 to 3a), are arranged, the interior 2b of the hollow body 2 radially from one of the hollow spiral 6
  • the control unit 11 can also be arranged outside the hollow body 2.
  • the control unit 11 can be set up, for example, to control the light source 7 and / or the light detector 8 and / or to read out the light detector 8 and / or to evaluate the electronic measurement signal output by it.
  • the gas sensor 10 can also preferably have a user interface 12 for operation and / or
  • Input options for a user include. REFERENCE CHARACTERISTICS LIST:

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Abstract

Optische Messanordnung (1), insbesondere für einen nichtdispersiven Infrarotsensor (NDIR), umfasst einen rohrabschnittförmigen Hohlkörper (2) mit einer Zentralachse (C), die sich von einem ersten Stirnende (3) zu einem gegenüberliegenden zweiten Stirnende (4) des Hohlkörpers (2) erstreckt, wobei in einer Innenoberfläche (5) des Hohlkörpers (2) ein spiralförmiger Hohllichtleiter gebildet ist, indem die Innenoberfläche (5) zumindest teilweise aus einem lichtreflektierenden Material und in Form einer sich um die Zentralachse (C) windenden Hohlspirale (6) mit einem zur Zentralachse (C) hin offenen Hohlquerschnitt ausgebildet ist. Die optische Messanordnung (1) umfasst ferner eine Lichtquelle (7), die in einem an dem ersten Stirnende (3) des Hohlkörpers (2) liegenden ersten Spiralende (6a) derart angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, ein Lichtstrahlenbündel (L1, L2) in die Hohlspirale (6) tangential zu deren Windungen zu emittieren, sodass dieses nach mehreren Reflexionen innerhalb der Hohlspirale (6) aus einem an dem zweiten Stirnende (4) des Hohlkörpers (2) liegenden zweiten Spiralende (6b) austritt, und einen Lichtdetektor (8), der in dem zweiten Spiralende (6b) derart angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, das austretende Lichtstrahlenbündel zu erfassen und abhängig von dem erfassten Lichtsignal ein elektronisches Messsignal auszugeben.

Description

OPTISCHE MESSANORDNUNG UND GASSENSOR MIT DERSELBEN
BESCHREIBUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Messanordnung, insbesondere für einen nichtdispersiven Infrarotsensor (NDIR) oder ein anderes spektroskopisches Gerät. Die Erfindung betrifft ferner einen Gassensor mit einer solchen optischen Messanordnung sowie ein entsprechendes Betriebsverfahren.
Stand der Technik
Nichtdispersive Infrarotsensoren (NDIR) werden typischerweise für spektroskopische Untersuchungen von Gasen eingesetzt, um beispielsweise eine Konzentration bestimmter Gaskomponenten, wie etwa CO, CO2 oder Kohlenwasserstoffen, in einem Gasgemisch aufgrund für betreffende Gasmoleküle charakteristischer
Absorptionskennlinien im Infrarotbereich (IR) der elektromagnetischen Strahlung zu bestimmen. Bekannte NDIR-Gassensoren verwenden daher typischerweise eine mit dem zu untersuchenden Gas gefüllte Kammer, in der ein Strahlengang von einer IR-Lichtquelle zu einem geeigneten IR-Lichtdetektor verläuft.
Dabei sollte die optische Weglänge zwischen der Lichtquelle und dem Lichtdetektor lang genug sein, um eine messbare Absorption durch die betreffenden Gasmoleküle zu erreichen. Eine Vergrößerung der optischen Weglänge führt allerdings in der Regel zu größeren Sensorabmessungen. Zudem wird die am Detektor ankommende
Lichtintensität bei einem längeren Lichtweg in der Regel auch durch von der gewünschten Gasabsorption verschiedene höhere optische Verluste geringer, was zu einem schlechteren Signal-/Rauschverhältnis führen kann. Es sind unterschiedliche Konstruktionsvorschläge für einen optischen Gassensor bekannt, die sich mit den genannten Problemen beschäftigen: So ist beispielsweise aus TWM476923U eine mit Gas ausgefüllte Hohlkammer einer elliptischen Form bekannt, bei der zur effizienteren Nutzung der Strahlungsleistung einer MEMS- (Micro-Electro-Mechanical-System) Infrarotquelle eine Bifokaleigenschaft der elliptischen Form genutzt wird, indem die IR-Quelle in einem Brennpunkt und ein IR-Detektor in einem anderen Brennpunkt der elliptischen Hohlkammer angeordnet sind.
Ferner schlägt die US 2003/0058439 A1 eine Gaszelle mit einer Hohlkammer für ein vorbestimmtes Gasvolumen vor, die unter anderem von einer ersten teilweise elliptischen Spiegelfläche und zwei dieser gegenüberliegenden weiteren teilweise elliptischen Spiegelflächen begrenzt ist. Die Gaszelle umfasst ferner eine Lichtquelle und einen oder mehrere zum Erfassen eines von der Lichtquelle erzeugten Lichts geeigneten Detektoren. Die teilweise elliptischen Spiegelflächen sind dabei derart relativ zueinander angeordnet, dass eine für diese Anordnung maximal mögliche optische Weglänge für ein Lichtstrahlenbündel erzielt wird, das von den genannten
Spiegelflächen reflektiert wird und einen der Detektoren erreicht. Spezifisch handelt es sich dabei um eine sehr flach ausgestaltete Hohlkammer, die in lateraler Richtung von den genannten Spiegelflächen begrenzt ist.
Ein weiterer Gassensor ist aus WO 98/09152 bekannt, der zur Verlängerung der optischen Weglänge in einer Gaszelle mit beschränkten Abmessungen drei jeweils als Teil eines Ellipsoids geformte Konkavspiegel aufweist. Konstruktionen mit drei gegenüberliegenden konkaven Spiegelflächen sind allerdings vergleichsweise komplex in der Herstellung und können zudem empfindlich von einer in Bezug auf die
Brennpunktpositionen der drei verschiedenen Konkavspiegel geeigneten
Lichtstrahlrichtung abhängen.
Es wird daher in US 2007/0279633 A1 ein weiterer optischer Gassensor, insbesondere einen NDIR-Sensor zur Messung einer C02-Konzentration, mit einer vergrößerten optischen Weglänge vorgeschlagen. Dieser Gassensor weist eine Gaskammer zum Aufnehmen eines zu untersuchenden Gases auf, wobei die Wandung der Gaskammer durch zwei gegenüberliegende Konkavspiegel mit unterschiedlichen Brennweiten, jedoch einem gemeinsamen Brennpunkt gebildet ist. Eine weitere optische Hohlkammer für einen NDIR-Gassensor mit einer vergrößerten optischen Weglänge ist aus US 2009/0135415 A1 bekannt und weist zwei
gegenüberliegende parabolische Spiegel auf, deren gemeinsamer Brennpunkt auf deren gemeinsamer optischer Achse liegt, wobei ein planarer Spiegel entlang der optischen Achse zwischen den Scheitelpunkten der parabolischen Spiegel angeordnet ist. Damit ein Großteil des Lichts innerhalb der optischen Hohlkammer zum Detektor konvergiert, kann spezifisch ein zusätzlicher ellipsoidaler Spiegel vorgesehen sein, der diffuses Licht von der Lichtquelle in den gemeinsamen Brennpunkt fokussiert. Allerdings kann bei der praktisch realisierbaren Ausgestaltung einer derartigen optischen
Hohlkammer ein Strahlengang Vorkommen, der vom Brennpunkt abweicht.
Ferner schlägt US 2005/0180889 A1 eine Gasanalyse-Anordnung mit einer zwischen lichtemittierenden Mitteln und lichtempfangenden Mitteln etwas bogenförmig
ausgebildeten Kammer oder Röhre, die ein zu untersuchendes Gas enthält. Spezifisch kann die bogenförmige Kammer in der Nähe der lichtemittierenden Mittel einen quadratischen, teilweise elliptischen oder teilweise kreisförmigen Querschnitt besitzen, wobei die lichtemittierenden Mittel jeweils im Zentrum, d. h. dem geometrischen Mittelpunkt, des Quadrats, der Ellipse oder des Kreises angeordnet sind. Die Bogenform der Kammer kann insbesondere einen teilkreisförmigen Bogen, alternativ auch mit einer zylindrischen oder elliptischen statt der kreisförmigen Krümmung darstellen und bildet eine bogenförmige konkave lichtreflektierende Fläche für einen innerhalb der Kammer propagierenden divergierenden oder diffusen Lichtstrahl. Die Länge des Bogens ergibt eine entsprechende Länge der Gasanalyse-Anordnung, wodurch der optischen
Weglänge wiederum eine praktische Grenze gesetzt ist.
Darstellung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine optische Messanordnung, insbesondere für einen nichtdispersiven Infrarotsensor, sowie einen entsprechenden Gassensor bereitzustellen, die es ermöglichen, die optische Weglänge innerhalb der optischen Messanordnung zu vergrößern und gleichzeitig deren Gesamtabmessungen, die optischen Verluste darin und die konstruktive Komplexität in Grenzen zu halten. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen entsprechenden Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und durch ein Verfahren zu dessen Betrieb gemäß Anspruch 15.
Weiterbildungen und spezifische Ausführungsformen sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der Beschreibung für die optische Messanordnung genannten weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf den Gassensor und das Verfahren, wie auch umgekehrt.
Ausgangspunkt ist eine optische Messanordnung, insbesondere für einen
nichtdispersiven Infrarotsensor (ND IR) oder ein andersartiges spektroskopisches Gerät. Die optische Messanordnung umfasst einen rohrabschnittförmigen Hohlkörper mit einem ersten Stirnende und einem gegenüberliegenden zweiten Stirnende. Als rein gedankliche Stützhilfe wird ferner eine Zentralachse definiert, die sich mittig durch den Hohlkörper von seinem ersten zu seinem zweiten Stirnende erstreckt und im einfachen Fall eine Gerade, im Allgemeinen jedoch auch eine gebogene Linie darstellen kann. Ferner ist in einer Innenoberfläche des Hohlkörpers ein spiralförmiger Hohllichtleiter gebildet, indem die Innenoberfläche des Hohlkörpers zumindest teilweise aus einem lichtreflektierenden Material und in Form einer sich um die Zentralachse des
Hohlkörpers windenden Hohlspirale mit einem zur Zentralachse hin offenen
Hohlquerschnitt ausgebildet ist.
Ferner weist die optische Messanordnung eine Lichtquelle auf, die z. B. eine oder mehrere LEDs (Leuchtdiode(n)) umfassen kann, wobei die Lichtquelle innerhalb der Hohlspirale an einem ersten Spiralende, welches am oder näher am ersten Stirnende des Hohlkörpers liegt, derart angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, ein
Lichtstrahlenbündel in die Hohlspirale im Wesentlichen tangential zu deren Windungen (oder entlang der Windungen der Hohlspirale) auszusenden, sodass dieses nach mehreren Reflexionen innerhalb der Hohlspirale aus einem am oder näher am zweiten Stirnende des Hohlkörpers liegenden zweiten Spiralende austritt. (Hierin kann unter "im Wesentlichen" insbesondere eine herstellungs- oder konstruktionsbedingte mögliche Abweichung von bis zu etwa 10% von betreffenden Abmessungen oder
Raumrichtungen verstanden werden.) Weiterhin weist die optische Messanordnung einen für das von der Lichtquelle emittierte Licht geeigneten Lichtdetektor auf, der z. B. eine oder mehrere Photodiode(n) umfassen kann, wobei der Lichtdetektor in dem zweiten Spiralende derart angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, das daraus austretende Lichtstrahlenbündel zu erfassen (empfangen) und abhängig von dem so erfassten Lichtsignal ein elektronisches Messsignal auszugeben.
Mit einem derartigen, als Hohlspirale in der Innenoberfläche des rohrabschnittförmigen Hohlkörpers ausgebildeten Hohllichtleiter kann insbesondere auf engstem Bauraum, der grundsätzlich nur den Außenabmessungen des Hohlkörpers entspricht, ein spektroskopisches Gerät mit einer aufgrund der einfachen Skalierbarkeit der
Konstruktion grundsätzlich beliebig langen optischen Weglänge realisiert sein, wodurch beispielsweise eine entsprechend hohe und damit gut messbare Absorption durch eine zu untersuchende Substanz im Hohllichtleiter erreichbar ist. Der Anzahl der Windungen der Hohlspirale sind dabei konstruktiv keine Grenzen gesetzt. Bei einer geeigneten optischen Ausgestaltung der Hohlspirale und der hierzu relativen Anordnung der Lichtquelle und des Lichtdetektors (einige Beispiele werden weiter unten angegeben) können auch die optischen Verluste auf dem Lichtweg zwischen Lichtquelle und Lichtdetektor minimiert und damit ein gutes Signal-/Rauschverhältnis erzielt sein.
Eine mögliche Anwendung ist für nichtdispersive Infrarotsensoren (NDIR), insbesondere für spektroskopische Untersuchungen von Gasen vorgesehen, um beispielsweise eine Konzentration bestimmter Gaskomponenten, wie etwa CO, CO2 oder
Kohlenwasserstoffen, in einem Gasgemisch aufgrund für betreffende Gasmoleküle charakteristischer Absorptionskennlinien im Infrarotbereich (IR) der
elektromagnetischen Strahlung zu bestimmen. Dabei bietet die optische
Messanordnung der hierin dargelegten Art einen besonderen Vorteil, dass das zu untersuchende Gas dem Hohllichtleiter besonders einfach zuzuführen ist, insbesondere ohne hinein diffundieren zu müssen. Aufgrund des zur Zentralachse des Hohlkörpers offenen Hohlquerschnitts der Hohlspirale kann das zu untersuchende Gas in einfacher Weise an den Stirnseiten des Hohlkörpers in diesen eingeführt oder aus diesem herausgelassen werden und füllt dabei praktisch ohne nennenswerte Zeitverzögerung, d. h. sofort, auch den Hohllichtleiter. Dabei sollte die optische Weglänge zwischen der Lichtquelle und dem Lichtdetektor lang genug sein, um eine messbare Absorption durch die betreffenden Gasmoleküle zu erreichen. Eine Vergrößerung der optischen Weglänge führt allerdings in der Regel zu größeren Sensorabmessungen. Zudem wird die am Detektor ankommende
Lichtintensität bei einem längeren Lichtweg in der Regel auch durch von der gewünschten Gasabsorption verschiedene höhere optische Verluste geringer, was zu einem schlechteren Signal-/Rauschverhältnis führen kann.
Der Hohlquerschnitt der Hohlspirale muss für die hierin dargelegte Funktionalität zwar nicht zwingend konstant entlang der Hohlspirale bleiben, Letzteres stellt aber einen praktisch besonders relevanten und günstigen Fall dar. Einfachheitshalber ist hierin daher meist von„dem Hohlquerschnitt“ die Rede. Dies ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen und soll im stets ebenfalls möglichen Fall eines entlang der Hohlspierale variierenden Hohlquerschnitts als„jeweiliger Hohlquerschnitt“ verstanden werden.
Die im Wesentlichen tangentiale Einstrahlung eines Lichtstrahlenbündels in die
Hohlspirale kann je nach spezifischer geometrischer Ausgestaltung in einem jeweiligen Anwendungsfall derart gewählt sein, dass beispielsweise durch möglichst flache mehrfache Reflexionen des Lichtstrahlenbündels im Inneren der Hohlspirale ein möglichst hoher Anteil des am ersten Spiralende in die Hohlspirale eingestrahlten Lichts an deren zweitem Spiralende am Detektor ankommt. Auch für diesen Anteil sind grundsätzlich keine Grenzen durch die beschriebene Konstruktion gesetzt,
insbesondere kann er durch eine geeignet gewählte Geometrie des Hohlquerschnitts und eine diesbezügliche Positionierung der Lichtquelle und des Lichtdetektors
(Beispiele werden weiter unten angegeben) sehr hoch sein.
Das lichtreflektierende Material kann z. B. bestmögliche Reflexionseigenschaften für das je nach Anwendungsfall in der optischen Messanordnung verwendete Licht besitzen. Rein beispielhaft ist hierin meist von elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich die Rede, während auch andere Spektralbereiche z. B. im und um den sichtbaren Spektralbereich in der optischen Messanordnung der hierin dargelegten Art genauso gut realisiert sein können. Geeignete lichtreflektierende Materialien sind dem Fachmann bekannt. Insbesondere kann hierzu die Rauigkeit eines geeigneten lichtreflektierenden Materials etwa 1/10 bis % der mittleren Wellenlänge des
verwendeten Lichts betragen. Geeignete Materialien sind etwa Metalle, wie z. B. Gold, Silber, Aluminium, wobei es sich um das Material des Hohlkörpers oder aber um eine Beschichtung eines aus anderem Material, wie z. B. Kunststoff, gefertigten Hohlkörpers handeln kann.
Die Lichtquelle kann dabei, muss aber nicht einen Kollimator umfassen. Ebenfalls ist es grundsätzlich nicht erforderlich, Licht in den Hohllichtleiter einzukoppeln, da ein beispielsweise senkrecht zu einer Windung der Hohlspirale an deren erstem Spiralende positionierter LED-Chip das Licht direkt in die Hohlspirale emittiert. Das Gleiche gilt auch entsprechend für den Detektor am zweiten Spiralende.
Gemäß einer Ausführungsform der optischen Messanordnung ist der Hohlquerschnitt der Hohlspirale symmetrisch bezüglich einer Scheitellinie der Hohlspirale und als Teil einer Ellipse ausgebildet. Dabei umfasst der genannte Teil der Ellipse einen ersten Brennpunkt der Ellipse. Diese Ausgestaltung des Hohllichtleiters kann insbesondere die mehrfachen Reflexionen eines von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahlenbündels im Inneren der Hohlspirale begünstigen, sodass ein Großteil des Lichtstrahlenbündels den Hohllichtleiter nicht verlässt und am zweiten Spiralende am Lichtdetektor ankommt (nachfolgend wird dies kurz als optische Eigenschaften des Hohllichtleiters bezeichnet). Dadurch können insbesondere besonders niedrige optische Verluste - abgesehen von der gewünschten Absorption in einem zu untersuchenden Medium wie einem Gas - auf dem Weg des Lichtstrahlenbündels durch die Hohlspirale bis zum Lichtdetektor erzielt werden.
Bei einer für denselben Zweck besonders günstigen Weiterbildung dieser
Ausführungsform ist die am ersten Spiralende angeordnete Lichtquelle im ersten Brennpunkt der Ellipse, insbesondere um diesen zentriert, angebracht. Alternativ oder zusätzlich kann zur Verstärkung der genannten Wirkung auch der am zweiten
Spiralende angeordnete Lichtdetektor in dem gleichen, ersten Brennpunkt der Ellipse, insbesondere um diesen zentriert, angeordnet sein. Bei einer spezifischen Ausgestaltung der optischen Messanordnung gemäß der obigen Ausführungsform liegt der jeweilige zweite Brennpunkt einer Ellipse eines jeweiligen Hohlquerschnitts der Hohlspirale auf der Zentralachse des Hohlkörpers an jeder Position entlang der Zentralachse des Hohlkörpers. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausgestaltung der Hohllichtleiter, d. h. die Hohlspirale, dadurch gebildet, dass die genannte Ellipse um deren zweiten Brennpunkt gedreht wird, bei einer gleichzeitiger, insbesondere gleichförmiger, translatorischer Bewegung der Ellipse in einer zu deren Ebene senkrechten Richtung, d. h. in Richtung der Zentralachse des Hohlkörpers. Insbesondere ergibt sich daraus bei konstant bleibenden Abmessungen der Ellipse entlang der Zentralachse des Hohlkörpers ein kreisförmiger Innenquerschnitt des Hohlkörpers. Diese Ausgestaltung kann sowohl für die Herstellung als auch für die oben beschriebenen optischen Eigenschaften des Hohllichtleiters besonders günstig sein, ist jedoch keinesfalls zwingend für die hierin dargelegte Grundfunktionalität der optischen Messanordnung.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung der optischen Messanordnung gemäß der obigen Ausführungsform beträgt das Verhältnis der großen Achse der Ellipse zu der kleinen Achse der Ellipse mindestens 1 ,3; vorzugsweise mindestens 1 ,5; weiter bevorzugt mindestens 1 ,6 oder noch höher, wie z. B. etwa 1 ,8; 2,0; 2,2 oder höher. Ein praktisch besonders günstiges Verhältnis der großen zu der kleinen Achse der Ellipse kann etwa 5/3 betragen. Je nach baulichen Gegebenheiten eines konkreten Anwendungsfalls, wie z. B. einer lateraler Chipabmessung der Lichtquelle und/oder des Lichtdetektors, kann es dabei für die oben beschriebenen optischen Eigenschaften des Hohllichtleiters besonders günstig sein, für den Hohlquerschnitt der Hohlspirale eine möglichst schmale Ellipse (d. h. mit einem möglichst großen Verhältnis der großen zu der kleinen Achse) und/oder eine im Verhältnis zu dem den Hohlquerschnitt der Hohlspirale ausbildenden Teil der Ellipsenfläche möglichst nahe Position des ersten Brennpunkts an der
Scheitellinie der Hohlspirale zu wählen. Insbesondere können dabei baulich bedingte Grenzen allein durch eine laterale Größe der Lichtquelle und eine Intensität sowie Divergenz eines von der Lichtquelle in die Hohlspirale eingespeisten
Lichtstrahlenbündels gesetzt sein. Bei einer spezifischen Ausgestaltung der optischen Messanordnung gemäß der obigen oder jeder anderen Ausführungsform kann die Hohlspirale von dem ersten Spiralende bis zum zweiten Spiralende mindestens 0,5 einer vollen Windung, vorzugsweise 0,8 bis 5 volle Windungen, weiter bevorzugt 1 ,5 bis 3 volle Windungen umfassen. Ein besonders günstiger Kompromiss zwischen der möglichst großen optischen Weglänge auf der einen Seite und möglichst geringen unerwünschten optischen Verlusten bei der Lichtausbreitung im Hohllichtleiter auf der anderen Seite kann beispielsweise mit einer Hohlspirale erzielt werden, die von ihrem ersten Spiralende bis zu ihrem zweiten Spiralende etwa 2 volle Windungen umfasst.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung der optischen Messanordnung gemäß der obigen oder jeder anderen Ausführungsform kann die optische Messanordnung ferner eine gemeinsame ebene Leiterplatte umfassen, auf der sowohl die Lichtquelle als auch der Lichtdetektor angeordnet, insbesondere gebondet, sind. Dies kann einen beispielsweise im Hinblick auf die Herstellung besonders günstigen Aufbau ergeben.
Dabei kann die gemeinsame Leiterplatte beispielsweise ferner eine Elektronikschaltung zur Unterstützung einer Ansteuerung der Lichtquelle und/oder des Lichtdetektors und/oder eines Auslesens des Lichtdetektors, wie z. B. einen Verstärker in Form eines Pre-Amplifier-ASIC (Englisch für: application specific integrated Circuit), umfassen.
Weiterhin können bei dieser spezifischen Ausgestaltung die Lichtquelle und der Lichtdetektor in der Hohlspirale an gegenüberliegenden Enden eines Durchmessers des Hohlkörpers angeordnet sein und die gemeinsame Leiterplatte derart am Hohlkörper befestigt sein, dass seine Zentralachse im Wesentlichen in einer Ebene der
gemeinsamen Leiterplatte liegt. Dies kann wiederum im Hinblick auf die Herstellung besonders günstig sein. Zudem kann eine derart ebene und entlang der Zentralachse des Hohlkörpers ausgerichtete Montage der gemeinsamen Leiterplatte insbesondere auch eine kleinstmögliche oder vernachlässigbare Behinderung für einen Durchfluss eines zu untersuchenden Gases durch den Hohlkörper entlang seiner Zentralachse ergeben, was eine stets gleichmäßige Ausfüllung des Hohlkörpers und damit auch des Hohllichtleiters mit diesem Gas begünstigen kann. Bei einer spezifischen Ausgestaltung der optischen Messanordnung können zum Einlassen eines zu untersuchenden Gases in den Hohlkörper und zum Auslassen des Gases daraus beide Stirnenden des Hohlkörpers offen, d. h. nur durch jeweilige Ränder seiner rohrabschnittförmigen Wandung begrenzt, sein oder aber geschlossen sein und Öffnungen aufweisen.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung der optischen Messanordnung kann sie ferner eine Steuerungseinheit zur Ansteuerung der Lichtquelle und/oder des Lichtdetektors und/oder zum Auslesen des Lichtdetektors und/oder zum Auswerten des von diesem ausgegebenen elektronischen Messsignals umfassen. Dabei kann die
Steuerungseinheit bei einer vorteilhaften Weiterbildung zumindest teilweise in einem Innenraum des Hohlkörpers, insbesondere nah an oder auf dessen Zentralachse, angeordnet sein, wobei der Innenraum des Hohlkörpers radial von einem von der Hohlspirale eingenommenen Raumbereich und axial von seinen beiden Stirnenden begrenzt ist. Dies kann eine insgesamt besonders platzsparende Anordnung ergeben, deren Gesamtgröße z. B. nur durch Außenabmessungen des Hohlkörpers bestimmt ist.
Die Erfindung sieht auch einen Gassensor, insbesondere einen nichtdispersiven Infrarotsensor (NDIR), vor, der eine optische Messanordnung der hierin dargelegten Art umfasst, die eine oben genannte Steuerungseinheit aufweist und bei der zum Einlassen eines zu untersuchenden Gases in den Hohlkörper und zum Auslassen des Gases daraus beide Stirnenden des Hohlkörpers offen sind oder aber geschlossen sind und Öffnungen aufweisen. Dabei kann beispielsweise das erste Stirnende des Hohlkörpers oder eine darin angeordnete Öffnung als ein Gaseinlass und das zweite Stirnende des Hohlkörpers oder eine darin angeordnete Öffnung als ein Gasauslass für das zu untersuchende Gas dienen, oder umgekehrt. Vorzugsweise kann der Gassensor ferner eine Benutzerschnittstelle zur Bedienung und/oder Überwachung des Gassensors, wie z. B. ein Display mit oder ohne Eingabemöglichkeiten für einen Benutzer.
Ein mit dem beschriebenen Gassensor mögliches Verfahren zur optischen
Spektralanalyse eines Gases kann beispielsweise folgende Schritte umfassen:
Füllen des Hohlkörpers mit einem zu untersuchenden Gas, indem das Gas über den Gaseinlass in den Hohlkörper eingeführt wird, Ansteuern der Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahlenbündels in die Hohlspirale tangential zu deren Windungen derart, dass das Lichtstrahlenbündel nach mehreren Reflexionen innerhalb der Hohlspirale aus einem an dem zweiten Stirnende des Hohlkörpers liegenden zweiten Spiralende austritt,
Auslesen des elektronischen Messsignals des Lichtdetektors und Durchführen einer Spektralanalyse des zu untersuchenden Gases abhängig vom ausgelesenen Messsignal, und
Auslassen des zu untersuchenden Gases aus dem Hohlkörper über den
Gasauslass zum kontinuierlichen oder schrittweisen Auswechseln des Gases im
Hohlkörper.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der beigefügten Zeichnungen. Insbesondere werden dabei die obigen Aspekte, Ausführungsformen und spezifische Ausgestaltungen anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher erläutert. Die Zeichnungen sind rein schematisch, sie sind insbesondere nicht als maßstabsgetreu zu lesen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig.1 in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht einer optischen
Messanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 die optische Messanordnung der Fig. 1 in einer teilweise durchsichtigen
perspektivischen Ansicht zur Erläuterung in deren Innerem verborgener Details;
Fig. 3a eine perspektivische Ansicht eines Flohlkörpers der optischen Messanordnung der Fig. 1 ;
Fig. 3b eine teilweise im Querschnitt dargestellte perspektivische Ansicht des
Flohlkörpers der Fig. 3a; Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer gemeinsamen ebenen Leiterplatte der optischen Messanordnung der Fig. 1 , die sowohl die Lichtquelle als auch den Lichtdetektor trägt;
Fig. 5 in schematischer Darstellung eine weitere perspektivische Ansicht einer
optischen Messanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gemäß einer Computersimulation;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der Ausbreitung eines von einer Lichtquelle in
Form eines Lambert-Strahlers emittierten Lichtstrahlenbündels in der optischen Messanordnung der Fig. 5 gemäß einer Computersimulation;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht der Ausbreitung eines von einer kollimierten
Lichtquelle emittierten Lichtstrahlenbündels in der optischen Messanordnung der Fig. 5 gemäß einer Computersimulation; und
Fig. 8 ein schematisches Blockdiagramm eines Gassensors gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung mit einer erfindungsgemäßen optischen Messanordnung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Bestandteile beziehungsweise gleich oder ähnlich wirkende Bestandteile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht einer optischen Messanordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei Fig. 2 eine der Fig. 1 im Übrigen entsprechende teilweise durchsichtige Ansicht zur besseren Erkennbarkeit von im Innern der optischen Messanordnung 1 verborgenen Details zeigt. Die optische Messanordnung 1 ist in diesem Beispiel insbesondere für einen
nichtdispersiven Infrarotsensor (NDIR) zur optischen Untersuchung von Gasen einsetzbar. Die optische Messanordnung 1 umfasst einen rohrabschnittförmigen Hohlkörper 2 mit einem in diesem Beispiel offenen ersten Stirnende 3 und einem gegenüberliegenden, ebenfalls offenen zweiten Stirnende 4. Rein beispielhaft weist der Hohlkörper 2 hier eine zylindrische Außenfläche 2a mit einem kreisrunden Querschnitt auf, wobei der rohrabschnittförmige Hohlkörper 2 nicht auf eine derart kreisrunde Zylinderform seiner Außenfläche 2a beschränkt ist, sondern grundsätzlich beliebig außenseitig ausgestaltet sein kann.
Zur Vereinfachung der Beschreibung ist in Fig. 1 ferner eine Zentralachse C des Hohlkörpers 2 schematisch angedeutet, die sich mittig durch einen Innenraum 2b des Hohlkörpers 2 von seinem ersten Stirnende 3 bis zu seinem zweiten Stirnende 4 erstreckt und in dem dargestellten einfachen Fall eine Gerade ist.
In einer Innenoberfläche 5 des Hohlkörpers 2 ist dabei ein spiralförmiger Hohllichtleiter dadurch gebildet, dass die Innenoberfläche 5 des Hohlkörpers 2 aus einem
lichtreflektierenden Material und in Form einer sich um die Zentralachse C des
Hohlkörpers 2 windenden Hohlspirale 6 mit einem zur Zentralachse C hin offenen Hohlquerschnitt ausgebildet ist. Der Hohlquerschnitt der Hohlspirale 6 ist insbesondere in der Querschnittsdarstellung der Fig. 3b deutlich zu sehen. Das lichtreflektierende Material kann z. B. bestmögliche Reflexionseigenschaften für das je nach
Anwendungsfall in der optischen Messanordnung verwendete Licht besitzen, in diesem Beispiel im Infrarotbereich der elektromagnetischer Strahlung, während die optische Messanordnung 1 auch für spektroskopische Untersuchungen in anderen
Spektralbereiche z. B. im und um den sichtbaren Spektralbereich einsetzbar ist.
Geeignete lichtreflektierende Materialien sind dem Fachmann bekannt, wie z. B. Metalle wie Gold, Silber oder Aluminium etc, wobei es sich um das Material des Hohlkörpers 2 oder aber um eine Beschichtung der Innenoberfläche 5 bei einem aus anderem
Material, wie z. B. Kunststoff, gefertigten Hohlkörpers 2 handeln kann.
Ferner weist die optische Messanordnung 1 eine in Fig. 1 verdeckte Lichtquelle 7 (vgl. Fig. 2) auf, die hier rein beispielhaft als eine LED (Leuchtdiode) ausgebildet ist, sowie einen für das von der Lichtquelle 7 emittierte Licht geeigneten Lichtdetektor 8 (in Fig. 1 ebenfalls verdeckt, vgl. Fig. 2), der hier rein beispielhaft zwei Photodioden umfasst. In diesem Beispiel sind sowohl die Lichtquelle 7 als auch der Lichtdetektor 8 auf einer in Fig. 4 separat gezeigten gemeinsamen ebenen Leiterplatte 9 gebondet, was
beispielsweise im Hinblick auf die Herstellung, Montage und/oder Ansteuerung der Lichtquelle 7 und des Lichtdetektors 8 einen besonders günstigen Aufbau ergeben kann. Optional kann die gemeinsame Leiterplatte 9 eine die Ansteuerung der Lichtquelle 7 und/oder des Lichtdetektors 8 unterstützende Elektronikschaltung, wie z. B. einen Verstärker in Form eines Pre-Amplifier-ASICs (Englisch für: application specific integrated Circuit), umfassen.
Dabei ist die Lichtquelle 7 innerhalb der Hohlspirale 6 an deren erstem Spiralende 6a (in Fig. 1 verdeckt, vgl. Fig. 2), welches näher am ersten Stirnende 3 des Hohlkörpers 2 liegt, derart angeordnet und ausgebildet, dass sie im Betrieb der optischen
Messanordnung 1 ein Lichtstrahlenbündel in die Hohlspirale 6 tangential oder entlang der Windungen der Hohlspirale 6 emittiert, sodass dieses nach mehreren Reflexionen innerhalb der Hohlspirale 6 aus einem am zweiten Stirnende 4 des Hohlkörpers 2 liegenden zweiten Spiralende 6b austritt. Der Lichtdetektor 8 ist in dem zweiten
Spiralende 6b derart angeordnet und ausgebildet, dass er im Betrieb der optischen Messanordnung 1 das daraus austretende Lichtstrahlenbündel erfasst, d. h. empfängt, und abhängig von dem so erfassten Lichtsignal ein elektronisches Messsignal ausgibt, das beispielsweise von einer geeigneten Steuerungseinheit ausgewertet werden kann.
Wie besonders gut in Fig. 2 zu erkennen ist, sind hierzu in diesem Beispiel eine lichtemittierende Oberfläche 7a der Lichtquelle 7 und lichtempfangende Oberflächen 8a der Photodioden des Lichtdetektors 8 jeweils senkrecht zu der Richtung der Windungen der Hohlspirale 6, mit anderen Worten in einer Ebene des ersten Spiralendes 6a beziehungsweise des zweiten Spiralendes 6b, die in Fig. 2 mit dem jeweiligen
Hohlquerschnitt der Hohlspirale 6 zusammenfallen, angeordnet und ausgerichtet. Bei dieser Positionierung kann die Lichtquelle 7 das Licht direkt in die Hohlspirale 6 emittieren. Das Gleiche gilt auch entsprechend für den Lichtdetektor 8. Daher kann die Lichtquelle 7 zwar, muss aber nicht zwingend einen Kollimator umfassen. Ebenfalls ist es aus diesem Grund nicht erforderlich, Licht in den Hohllichtleiter einzukoppeln. Mit einem derartigen, als Hohlspirale 6 in der Innenoberfläche 5 des
rohrabschnittförmigen Hohlkörpers 2 ausgebildeten Hohllichtleiter kann auf engstem Bauraum, der grundsätzlich den Außenabmessungen des Hohlkörpers 2 entspricht, ein spektroskopisches Gerät mit einer aufgrund der einfachen Skalierbarkeit der
Konstruktion grundsätzlich beliebig langen optischen Weglänge realisiert sein, die in Fig. 1 und 2 der Länge der Hohlspirale 6 von deren erstem Spiralende 6a bis zu deren zweitem Spiralende 6b entspricht. Dadurch ist beispielsweise eine entsprechend hohe und damit gut messbare Absorption durch ein zu untersuchendes Gas im Hohllichtleiter erreichbar. In diesem Beispiel, das (wie beispielsweise an den in Fig. 6 bis 8
dargestellten Simulationsergebnissen erkennbar) im Hinblick auf die Ausbreitung des Lichtstrahlenbündels in der Hohlspirale 6 gut für spektroskopische Untersuchungen an Gasen eignet, kann ein Außendurchmesser des Hohlkörpers 2 beispielsweise zwischen etwa 16 und 20 mm, insbesondere etwa 18 mm betragen, und seine entlang der Zentralachse C gemessene Länge kann beispielsweise etwa 5 bis 6 mm betragen, was insgesamt im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen eine deutliche Verkleinerung der Gesamtgröße eines Gassensors bei einer vergleichbaren optischen Weglänge ermöglicht.
Der Anzahl der Windungen der Hohlspirale 6 sind dabei konstruktiv grundsätzlich keine Grenzen gesetzt, und bei einer geeigneten optischen Ausgestaltung der Hohlspirale 6 und der hierzu relativen Anordnung der Lichtquelle 7 und des Lichtdetektors 8 (einige Beispiele werden weiter unten angegeben) können auch die optischen Verluste auf dem Lichtweg zwischen Lichtquelle 7 und Lichtdetektor 8 minimiert und damit ein gutes Signal-/Rauschverhältnis erzielt sein. Bei dem in den Figuren gezeigten Beispiel sind rein beispielhaft für zwei volle Windungen der Hohlspirale 6 gute optische Eigenschaften im Hinblick auf die Messempfindlichkeit einerseits und das Signal-/Rauschverhältnis andererseits erzielt worden.
Eine mögliche Anwendung der optischen Messanordnung 1 ist für spektroskopische Untersuchungen von Gasen, beispielsweise in einem NDIR-Sensor, um beispielsweise eine Konzentration bestimmter Gaskomponenten, wie etwa CO, CO2 oder
Kohlenwasserstoffen, in einem Gasgemisch aufgrund für betreffende Gasmoleküle charakteristischer Absorptionskennlinien im Infrarotbereich der elektromagnetischen Strahlung zu bestimmten.
Dabei bietet die optische Messanordnung 1 einen besonderen Vorteil, dass das zu untersuchende Gas dem Hohllichtleiter durch die offenen Stirnseiten 3 und 4 des Hohlkörpers 2 besonders einfach zuzuführen ist, insbesondere ohne hinein diffundieren zu müssen. Dies ist in Fig. 1 durch Pfeile G schematisch angedeutet. Aufgrund des zur Zentralachse C des Hohlkörpers 2 offenen Hohlquerschnitts der Hohlspirale 6 kann das zu untersuchende Gas in einfacher Weise an den Stirnseiten des Hohlkörpers in diesen eingeführt oder aus diesem herausgelassen werden und füllt dabei praktisch ohne nennenswerte Zeitverzögerung, d. h. sofort, auch den Hohllichtleiter. Bei der dargestellten spezifischen Ausgestaltung sind die Lichtquelle 7 und der Lichtdetektor 8 in der Hohlspirale 6 ferner an gegenüberliegenden Enden eines Durchmessers des Hohlkörpers 2 angeordnet, sodass die gemeinsame Leiterplatte 9 derart am Hohlkörper 2 befestigt sein kann, dass seine Zentralachse C im Wesentlichen in einer Ebene der gemeinsamen Leiterplatte 9 liegt. Dies kann wiederum im Hinblick auf die Herstellung besonders günstig sein. Zudem kann eine derart ebene und entlang der Zentralachse C des Hohlkörpers 2 ausgerichtete Montage der gemeinsamen Leiterplatte 9
insbesondere auch eine kleinstmögliche oder vernachlässigbare Behinderung für einen in Fig. 1 durch Pfeile angedeuteten Durchfluss G eines zu untersuchenden Gases durch den Hohlkörper 2 entlang seiner Zentralachse C ergeben. Dadurch kann z. B. eine stets gleichmäßige Ausfüllung des Hohlkörpers 2 und damit auch des Hohllichtleiters mit diesem Gas begünstigt sein.
Fig. 3a zeigt separat den Hohlkörper 2 der optischen Messanordnung der Fig. 1 und 2 in einer gegenüber Fig. 1 und 2 räumlich verdrehten perspektivischen Ansicht, die einen besseren Blick auf die beiden Spiralenden 6a und 6b ermöglicht. Ferner zeigt Fig. 3b eine untere Teilhälfte eines entlang der Spiralenden 6a und 6b durchgeschnittenen Hohlkörpers 2 der Fig. 3a, zur Vereinfachung der nachfolgenden Erläuterung der geometrischen Ausgestaltung der Hohlspirale 6.
Der Hohlquerschnitt der Hohlspirale 6 bleibt bei dem in den Figuren gezeigten Beispiel konstant entlang der Hohlspirale 6, was für die hierin dargelegte Funktionalität jedoch nicht zwingend erforderlich ist, aber einen praktisch besonders relevanten und günstigen Fall darstellen kann.
Bei der in den Figuren gezeigten Ausführungsform der optischen Messanordnung 1 ist der Flohlquerschnitt der Hohlspirale 6 symmetrisch bezüglich einer Scheitellinie S (von der in Fig. 3b jeweils nur ein Punkt an dem Schnitt durch den Hohlkörper 2 zu sehen ist) der Hohlspirale 6 und als Teil einer Ellipse ausgebildet. Dabei umfasst der genannte Teil der Ellipse einen ersten Brennpunkt der Ellipse, der in Fig. 2 dadurch erkennbar ist, dass in diesem ersten Brennpunkt der Ellipse die Lichtquelle 7 beziehungsweise die zwei Photodioden des Lichtdetektors 8 angeordnet sind.
Eine derartige Ausgestaltung des Hohllichtleiters und Anordnung der Lichtquelle 7 und des Lichtdetektors 8 können insbesondere mehrfache Reflexionen eines von der Lichtquelle 7 ausgesandten Lichtstrahlenbündels im Inneren der Hohlspirale 6 begünstigen, damit ein Großteil des Lichtstrahlenbündels den Hohllichtleiter nicht verlässt und am zweiten Spiralende 6b am Lichtdetektor 8 ankommt. Dadurch können beispielsweise besonders niedrige optische Verluste - abgesehen von der gewünschten Absorption in einem zu untersuchenden Gas - auf dem Weg des Lichtstrahlenbündels durch die Hohlspirale 6 bis zum Lichtdetektor 8 erzielt werden.
Rein beispielhaft liegt bei der in den Figuren gezeigten optischen Messanordnung 1 der jeweilige zweite Brennpunkt einer Ellipse eines jeweiligen Hohlquerschnitts der
Hohlspirale 6 auf der Zentralachse C des Hohlkörpers 2 an jeder Position entlang der Zentralachse C des Hohlkörpers 2. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausgestaltung der Hohllichtleiter, d. h. die Hohlspirale 6, dadurch gebildet, dass die genannte Ellipse um deren zweiten Brennpunkt gedreht wird, bei einer gleichzeitiger, insbesondere gleichförmiger, translatorischer Bewegung der Ellipse in einer zu deren Ebene senkrechten Richtung, d. h. in Richtung der Zentralachse C des Hohlkörpers 2.
Insbesondere ergibt sich daraus bei konstant bleibenden Abmessungen der Ellipse entlang der Zentralachse C des Hohlkörpers 2 ein in den Figuren gezeigten
kreisförmiger Innenquerschnitt des Hohlkörpers 2. Diese Ausgestaltung kann sowohl für die Herstellung als auch für die oben beschriebenen optischen Eigenschaften des Hohllichtleiters besonders günstig sein, ist jedoch keinesfalls zwingend für die hierin dargelegte Grundfunktionalität der optischen Messanordnung 1 .
Ferner illustrieren die Figuren ein spezifisches Beispiel für ein günstiges Verhältnis der großen zu der kleinen Achse der Ellipse von etwa 5/3. Je nach baulichen
Gegebenheiten eines konkreten Anwendungsfalls, wie z. B. einer lateraler
Chipabmessung der Lichtquelle 7 und/oder des Lichtdetektors 8, kann es für die oben beschriebenen optischen Eigenschaften des Hohllichtleiters besonders günstig sein, für den Hohlquerschnitt der Hohlspirale 6 eine möglichst schmale Ellipse (d. h. mit einem möglichst großen Verhältnis der großen zu der kleinen Achse) und/oder eine im
Verhältnis zu dem den Hohlquerschnitt der Hohlspirale 6 ausbildenden Teil der
Ellipsenfläche möglichst nahe Position des ersten Brennpunkts an der Scheitellinie S der Hohlspirale 6 zu wählen. Insbesondere können dabei baulich bedingte Grenzen allein durch eine laterale Größe der Lichtquelle 7 und/oder eine Intensität sowie
Divergenz eines von der Lichtquelle 7 in die Hohlspirale 6 eingespeisten
Lichtstrahlenbündels gesetzt sein. Die in diesem Beispiel genannten spezifischen geometrischen Parameter können z. B. für einen Anwendungsfall mit einer Lichtquelle 7 mit einem in lateraler Richtung, d. h. entlang der in Fig. 2 und 4 gezeigten
lichtemittierenden Oberfläche 7a, quadratischen LED-Chip von etwa 0,4x0, 4 mm2 oder runden LED Chip mit einem Durchmesser von etwa 0,3 mm zu den hierin beschriebenen guten optischen Eigenschaften der optischen Messanordnung 1 führen.
In Fig. 5 ist in schematischer Darstellung eine weitere perspektivische Ansicht einer optischen Messanordnung 1 , deren Ausgestaltung derjenigen der Fig. 1 bis 5 entspricht, gemäß einer Computersimulation zur Untersuchung der Lichtausbreitung in deren Hohllichtleiter gezeigt. Fig. 6 zeigt das entsprechende Simulationsergebnis für die Ausbreitung eines von einer Lichtquelle 7 in Form eines Lambert-Strahlers emittierten Lichtstrahlenbündels L1 in der optischen Messanordnung 1 der Fig. 5. Fig. 7 zeigt das entsprechende Simulationsergebnis für die Ausbreitung eines von einer Lichtquelle 7, die einen Kollimator umfasst, emittierten kollimierten Lichtstrahlenbündels L2 in der optischen Messanordnung 1 der Fig. 5. Wie man daraus erkennt, verbleibt in beiden Fällen ein Großteil des Lichtstrahlenbündels L1 oder L2 bei den mehreren Reflexionen in der Hohlspirale 6 in deren Innerem, verlässt also den Hohllichtleiter nicht und kommt am zweiten Spiralende 6b daher am Lichtdetektor 8 an.
Schließlich zeigt Fig. 8 ein schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Gassensors 10, insbesondere einen nichtdispersiven Infrarotsensor (NDIR), der eine optische Messanordnung 1 der hierin dargelegten Art umfasst, die insbesondere wie in Fig. 1 bis 7 ausgebildet sein kann. In Fig. 8 sind die oben beschriebenen und in Fig. 1 bis 4 genauer dargestellten Elemente wie der Hohlkörper 2 mit dem in seiner
Innenoberfläche ausgebildeten spiralförmigen Hohllichtleiter, als Gaseinlass und als Gasauslass ausgebildete Stirnenden 3 und 4 des Hohlkörpers, die Lichtquelle 7 und der Lichtdetektor 8 rein schematisch angedeutet.
Ferner weist der Gassensor 10 eine Steuerungseinheit 1 1 auf, die beispielsweise zumindest teilweise in einem Innenraum 2b des Hohlkörpers 2, insbesondere nah an oder auf dessen Zentralachse C (vgl. Fig. 1 bis 3a), angeordnet sein, wobei der Innenraum 2b des Hohlkörpers 2 radial von einem von der Hohlspirale 6
eingenommenen Raumbereich und axial von seinen beiden Stirnenden 3 und 4 begrenzt ist. Dies kann eine insgesamt besonders platzsparende Anordnung ergeben, bei der eine Gesamtgröße des Gassensors 10 nur durch Außenabmessungen des Hohlkörpers 2 bestimmt ist. Alternativ kann die Steuerungseinheit 1 1 aber auch außerhalb des Hohlkörpers 2 angeordnet sein. Die Steuerungseinheit 1 1 kann beispielsweise zur Ansteuerung der Lichtquelle 7 und/oder des Lichtdetektors 8 und/oder zum Auslesen des Lichtdetektors 8 und/oder zum Auswerten des von diesem ausgegebenen elektronischen Messsignals eingerichtet sein. Vorzugsweise kann der Gassensor 10 ferner eine Benutzerschnittstelle 12 zur Bedienung und/oder
Überwachung des Gassensors 10, wie z. B. ein Display mit oder ohne
Eingabemöglichkeiten für einen Benutzer, umfassen. BEZUGSZEICHENLISTE:
1 optische Messanordnung
2 rohrabschnittförmiger Hohlkörper
2a Außenfläche des Hohlkörpers
3 erste Stirnseite des Hohlkörpers
4 zweite Stirnseite des Hohlkörpers
5 Innenoberfläche des Hohlkörpers
6 Hohlspirale
6a erstes Spiralende
6b zweites Spiralende
7 Lichtquelle
7a lichtemittierende Oberfläche der Lichtquelle
8 Lichtdetektor
8a lichtempfangende Oberfläche des Lichtdetektors
9 gemeinsame ebene Leiterplatte
10 Gassensor
1 1 Steuerungseinheit
12 Benutzerschnittstelle
C Zentralachse des Hohlkörpers
L1 erstes Lichtstrahlenbündel
L2 zweites Lichtstrahlenbündel
G Gas

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Optische Messanordnung (1 ), insbesondere für einen nichtdispersiven
Infrarotsensor (NDIR), umfassend:
einen rohrabschnittförmigen Hohlkörper (2) mit einer Zentralachse (C), die sich von einem ersten Stirnende (3) zu einem gegenüberliegenden zweiten Stirnende (4) des Hohlkörpers (2) erstreckt, wobei in einer Innenoberfläche (5) des Hohlkörpers (2) ein spiralförmiger Hohllichtleiter gebildet ist, indem die Innenoberfläche (5) zumindest teilweise aus einem lichtreflektierenden Material und in Form einer sich um die
Zentralachse (C) windenden Hohlspirale (6) mit einem zur Zentralachse (C) hin offenen Hohlquerschnitt ausgebildet ist,
eine Lichtquelle (7), die in einem an dem ersten Stirnende (3) des Hohlkörpers (2) liegenden ersten Spiralende (6a) derart angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, ein Lichtstrahlenbündel (L1 , L2) in die Hohlspirale (6) tangential zu deren Windungen zu emittieren, sodass dieses nach mehreren Reflexionen innerhalb der Hohlspirale (6) aus einem an dem zweiten Stirnende (4) des Hohlkörpers (2) liegenden zweiten Spiralende (6b) austritt, und
einen Lichtdetektor (8), der in dem zweiten Spiralende (6b) derart angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, das austretende Lichtstrahlenbündel zu erfassen und abhängig von dem erfassten Lichtsignal ein elektronisches Messsignal auszugeben.
2. Optische Messanordnung (1 ) gemäß Anspruch 1 , wobei
der Hohlquerschnitt der Hohlspirale (6) symmetrisch bezüglich einer Scheitellinie (S) der Hohlspirale (6) und als Teil einer Ellipse, der einen ersten Brennpunkt der Ellipse umfasst, ausgebildet ist.
3. Optische Messanordnung (1 ) gemäß Anspruch 2, wobei
die Lichtquelle (7) im ersten Brennpunkt der Ellipse, insbesondere um diesen zentriert, angeordnet ist.
4. Optische Messanordnung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei der Lichtdetektor (8) im ersten Brennpunkt der Ellipse, insbesondere um diesen zentriert, angeordnet ist.
5. Optische Messanordnung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei ein jeweiliger zweiter Brennpunkt der Ellipse des jeweiligen Hohlquerschnitts der
Hohlspirale (6) auf der Zentralachse (C) des Hohlkörpers (2) liegt.
6. Optische Messanordnung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Verhältnis einer großen Achse der Ellipse zu einer kleinen Achse der Ellipse mindestens 1 ,3; vorzugsweise mindestens 1 ,5; weiter bevorzugt mindestens 5/3 beträgt.
7. Optische Messanordnung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Hohlspirale (6) von dem ersten Spiralende (6a) bis zum zweiten Spiralende (6b) mindestens 0,5 einer vollen Windung, vorzugsweise 0,8 bis 5 Windungen, weiter bevorzugt 1 ,5 bis 3 Windungen, besonders bevorzugt etwa 2 Windungen umfasst.
8. Optische Messanordnung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend:
eine gemeinsame ebene Leiterplatte (9), sie sowohl die Lichtquelle (7) als auch den Lichtdetektor (8) trägt.
9. Optische Messanordnung (1 ) gemäß Anspruch 8, wobei
die gemeinsame Leiterplatte (9) ferner eine Elektronikschaltung zur
Unterstützung einer Ansteuerung der Lichtquelle (7) und/oder des Lichtdetektors (8) und/oder eines Auslesens des Lichtdetektors (8) umfasst.
10. Optische Messanordnung (1 ) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei
die Lichtquelle (7) und der Lichtdetektor (8) in der Hohlspirale (6) an
gegenüberliegenden Endabschnitten eines Innendurchmessers des Hohlkörpers (2) angeordnet sind und die gemeinsame Leiterplatte (9) derart am Hohlkörper (2) befestigt ist, dass seine Zentralachse (C) in der Ebene der gemeinsamen Leiterplatte (9) liegt.
1 1 . Optische Messanordnung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend:
eine Steuerungseinheit (1 1 ) zur Ansteuerung der Lichtquelle (7) und/oder des Lichtdetektors (8) und/oder zum Auslesen des Lichtdetektors (8) und/oder zum
Auswerten des von diesem ausgegebenen elektronischen Messsignals.
12. Optische Messanordnung (1 ) gemäß Anspruch 1 1 , wobei
die Steuerungseinheit (1 1 ) zumindest teilweise in einem Innenraum (2b) des Hohlkörpers (2), insbesondere nah an oder auf dessen Zentralachse (C), angeordnet ist, wobei der Innenraum (2b) des Hohlkörpers (2) radial von einem von der Hohlspirale (6) eingenommenen Raumbereich und axial von seinen beiden Stirnenden (3, 4) begrenzt ist.
13. Optische Messanordnung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
zum Einlassen eines zu untersuchenden Gases in den Hohlkörper (2) und zum Auslassen des Gases daraus beide Stirnenden (3, 4) des Hohlkörpers (2) offen sind oder aber geschlossen sind und Öffnungen aufweisen.
14. Gassensor (10), insbesondere ein nichtdispersiver Infrarotsensor (NDIR), umfassend
die optische Messanordnung (1 ) gemäß Anspruch 13, soweit rückbezogen auf Anspruch 1 1 oder 12, wobei das erste Stirnende (3) des Hohlkörpers (2) oder eine darin angeordnete Öffnung als ein Gaseinlass und das zweite Stirnende (4) des Hohlkörpers (2) oder eine darin angeordnete Öffnung als ein Gasauslass für das zu untersuchende Gas ausgebildet sind, oder umgekehrt, und
vorzugsweise ferner eine Benutzerschnittstelle (12) zur Bedienung und/oder Überwachung des Gassensors (10).
15. Verfahren zur optischen Spektralanalyse eines Gases, umfassend:
Bereitstellen eines Gassensors (10) gemäß Anspruch 14, Füllen des Hohlkörpers (2) mit einem zu untersuchenden Gas, indem das Gas über den Gaseinlass in den Hohlkörper (2) eingeführt wird,
Ansteuern der Lichtquelle (7) zum Emittieren eines Lichtstrahlenbündels in die Hohlspirale (6) tangential zu deren Windungen derart, dass dieses nach mehreren Reflexionen innerhalb der Hohlspirale (6) aus einem an dem zweiten Stirnende (4) des Hohlkörpers (2) liegenden zweiten Spiralende (6b) austritt,
Auslesen des elektronischen Messsignals des Lichtdetektors (8) und Durchführen einer Spektralanalyse des zu untersuchenden Gases abhängig vom ausgelesenen Messsignal, und
- Auslassen des zu untersuchenden Gases aus dem Hohlkörper (2) über den Gasauslass zum kontinuierlichen oder schrittweisen Auswechseln des Gases im Hohlkörper (2).
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