DE102004044145B3

DE102004044145B3 - Reflektormodul für einen photometrischen Gassensor

Info

Publication number: DE102004044145B3
Application number: DE102004044145A
Authority: DE
Inventors: Michael Arndt; Gerd Lorenz; Johann Wehrmann; Ronny Ludwig; Hans Lubik; Thomas Sperlich; Vincent Thominet; Maximilian Sauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2024-09-14
Also published as: JP2007507723A; WO2006029920A1; EP1792164A1; US20090039267A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen photometrischen Gassensor, enthaltend wenigstens DOLLAR A - eine infrarote Strahlungsquelle, DOLLAR A - einen ersten Reflektor zur Umlenkung einer von einer infraroten Strahlungsquelle herkommenden Infrarotstrahlung zu einem zweiten Reflektor, DOLLAR A - einen zweiten Reflektor zur Umlenkung der vom ersten Reflektor herkommenden Strahlung zu einem Infrarotdetektor sowie DOLLAR A - einen Infrarotdetektor.

Description

Die Erfindung betrifft einen photometrischen Gassensor zur Ermittlung einer Gaskonzentration.
In der analytischen Gassensorik wird zwischen chemischen und physikalischen Sensoren unterschieden. Während die chemischen Gassensoren mit chemischen Indikatoren wie widerstandsveränderlichen Pasten aufgebaut sind, funktionieren die physikalischen Sensoren auf der Grundlage der Spektroskopie (Photometrie). Dabei wird von einer oder mehreren Strahlungsquellen (insbesondere im Infrarotwellenlängenbereich) Strahlung über eine sogenannte Absorptionsstrecke zu einem Detektorelement geleitet, welches die ankommende Strahlungsintensität in elektrische Spannung und Strom umwandelt. Um einen möglichst hohen Signalhub bei der ankommenden Strahlungsleistung zu erhalten, muss die von der Quelle abgegebene Strahlung möglichst direkt und gebündelt zum Detektorelement geleitet werden. Dies lässt sich entweder dadurch erreichen, dass sich die Strahlungsquelle und das Detektorelement direkt gegenüberstehen („face-to-face-Anordnung") oder durch den Einsatz von Reflektormodulen, welche die Strahlung umlenken und zusätzlich bündeln.

Aus der DE 102 43 014 A1 ist eine Vorrichtung zur Detektion von Strahlungssignalen und eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration eines Stoffes bekannt. Dabei sind ein erster Detektor und ein zweiter Detektor auf einem ersten Chip vorgesehen und ein erster Filter und ein zweiter Filter auf einem zweiten Chip vorgesehen, wobei der erste Chip und der zweite Chip hermetisch dicht miteinander verbunden sind.

Aus der DE 195 28 919 A1 ist ein mikrostrukturiertes Infrarot-Absorptionsphotometer bekannt. Dieses enthält eine Blitzlampe als IR-Lampe und einen IR-Strahlungsempfänger, dessen Einstellzeit an die Pulsdauer der Blitzlampe angepasst ist. Der Infrarotstrahl wird zwischen IR-Lampe und Empfänger mit Hohlspiegeln gelenkt.

Die DE 198 40 794 C1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von Infrarot-Strahlungseigenschaften von Abgasen. Der prinzipielle Aufbau der Messanordnung weist zwei Infrarotstrahler auf, deren Strahlung über eine Spiegelanordnung durch einen Abgasstrahl zu einem IR-Messgerät geleitet wird.

Die DE 197 42 053 C1 beschreibt eine Infrarotmessanordnung mit erweitertem Messbereich. Diese weist eine Infrarotstrahlungsquelle und einen Infrarotstrahlungsdetektor auf. Die Infrarotstrahlungsquelle weist dabei einen ersten, direkten Strahlenweg zum Infrarotstrahlungsdetektor und einen zweiten, im Vergleich zum ersten längeren, reflektierten Strahlenweg zum Infrarotstrahlungsdetektor auf.

Die DE 22 11 835 A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gasanalyse durch Lichtabsorption. Dabei wird durch einen das Gas beinhaltenden Behälter ein einfallendes Lichtbündel geschickt.

Die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1 sind der DE 195 28 919 A1 entnommen.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen photometrischen Gassensor zur Ermittlung einer Gaskonzentration bzw. des Konzentrationswertes eines Gases bzw. einer eine Gaskonzentration beschreibenden Größe, enthaltend

– eine infrarote Strahlungsquelle,
– einen ersten Reflektor zur Umlenkung einer von einer infraroten Strahlungsquelle herkommenden Infrarotstrahlung zu einem zweiten Reflektor,
– einen zweiten Reflektor zur Umlenkung der vom ersten Reflektor herkommenden Strahlung zu einem Infrarotdetektor sowie
– einen Infrarotdetektor.

Dabei sind die infrarote Strahlungsquelle und der Infrarotdetektor auf einer gemeinsamen Leiterplatte angebracht. Weiter sind der erste Reflektor und der zweite Reflektor derart angeordnet, dass die Strahlrichtung der vom ersten Reflektor zum zweiten Reflektor umgelenkten Infrarotstrahlung im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Leiterplatte ist.

Durch die Verwendung von Reflektoren ist eine besonders kompakte Bauweise des Gassensors möglich.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Reflektor

– im wesentlichen aus Kunststoff bestehen und in ein Gehäusebauelement aus Kunststoff eingebaut sind oder
– Teil eines Gehäusebauelements aus Kunststoff sind.

Der Einsatz von Kunststoffbauelementen ermöglicht einen kostengünstigen Aufbau.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Reflektor als verspiegelte Flächen des Kunststoffs ausgebildet sind.

– im wesentlichen aus Metall bestehen und in ein Gehäusebauelement aus Metall eingebaut sind oder
– Teil eines Gehäusebauelements aus Metall sind.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gehäusebauelement um die Abdeckung des Sensors handelt. Durch die Integration der Reflektoren in die Abdeckung wird eine besonders kompakte Bauweise erreicht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung wenigstens eine Durchlassöffnungen aufweist, durch welche das Gas in den Innenraum des Gassensors strömen kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

– dass zwei Infrarotdetektoren vorhanden sind bzw. ein Infrarotdetektor mit zwei Sensorelementen vorhanden ist,
– dass der zweite Reflektor aus zwei Teilreflektoren besteht, welche die vom ersten Reflektor herkommende Strahlung in zwei in verschiedene Richtungen gehende Teilstrahlen aufteilt,
– dass die beiden Teilreflektoren so angeordnet sind, dass jeder der beiden Teilstrahlen auf einen unterschiedlichen der beiden Infrarotdetektoren trifft.

Durch die Verwendung eines zweiten Infrarotdetektors ist eine Vergleichsmessung möglich. Die Verwendung eines zweiten Infrarotdetektors ermöglicht anstelle einer Vergleichsmessung auch die Messung der Konzentration eines zweiten bzw. anderen Gases.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

– dass der zweite Reflektor aus zwei nebeneinander angeordneten Reflektoren bzw. Teilreflektoren besteht
– und derart angeordnet ist, dass die vom ersten Reflektor herkommende Strahlung an der Grenze zwischen beiden Teilreflektoren auftrifft, so dass auf jeden der beiden Teilreflektoren ein Teil der Strahlung auftrifft.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäusebauelement Aufnahmen zur Anbringung der Infrarotquelle und des Infrarotdetektors angebracht sind. Dies ermöglicht eine sehr präzise Anordnung der Bauelemente relativ zueinander.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Aufnahmen um Führungen handelt.

Zeichnung
Die Zeichnung besteht aus den 1 bis 5.
1 zeigt eine Sicht von außen auf eine erste Ausführungsform des Reflektormoduls.
2 zeigt eine Sicht in den Innenraum einer ersten Ausführungsform des Reflektormoduls.
3 zeigt eine Sicht von außen auf eine zweite Ausführungsform des Reflektormoduls.
4 zeigt eine Sicht in den Innenraum einer zweiten Ausführungsform des Reflektormoduls.
5 zeigt einen Schnitt mit Aufnahmen für die Strahlungsquelle und den Detektor.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung dient dazu, die Strahlungsleistung einer Strahlungsquelle mit Hilfe eines oder mehrerer optischer Reflektormodule optimal zu bündeln und über die Absorptionsstrecke zum Detektorelement zu leiten. Dabei werden zwei oder drei Reflektoren verwendet. Diese Reflektoren können aus einem zusammenhängenden Modul oder aus einzelnen optischen Elementen bestehen. Dabei wird zwischen einem geschlossenen Reflektormodul und einem sogenannten „Open-Path-Modul" unterschieden. Bei der „Open-Path"-Anordnung entfällt das mittlere Reflektormodul und wird durch die dabei entstehende offene Strahlstrecke ersetzt.
Dieses optische Reflektormodul kann für einen photometrischen Gassensor eingesetzt werden. In den 1, 2, 3 und 4 sind zwei Ausführungsformen des Reflektormoduls dargestellt. Das Modul ist bzgl. des Strahlengangs von der Strahlungsquelle a an den Strahlungsdetektor b derart ausgestaltet, dass

– der Reflektor R1 die von der Strahlungsquelle a empfangene Strahlung bündelt und parallel zum Bodenteil 53 (auf welchem die Strahlungsquelle und der Strahlungsempfänger angebracht sind) zum Reflektor R3 lenkt und
– der Reflektor R3 die Strahlung nochmals bündelt und vertikal nach unten zu dem Detektor bzw. den Detektoren lenkt.

Für den Reflektor sind in den Figuren zwei Ausführungsformen dargestellt:

– 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform als tiefgezogene Metallkonstruktion
– 3 und 4 zeigen eine Ausführungsform aus Kunststoff.

Für jede dieser beiden Ausführungsformen ist eine Ausgestaltung als „Closed-Path-Anordnung" und „Open-Path-Anordnung" möglich.
Closed-Path-Anordnung:
Diese Anordnung ist in den 1 bis 4 dargestellt. Dabei handelt es sich um ein geschlossenes Reflektormodul, unter welchem sich die Strahlungsquelle a und das Detektorelement b befinden. Das Reflektormodul beinhaltet

– den Reflektor R1 zur Bündelung und Umlenkung des Strahlengangs der Strahlungsquelle,
– die Komponente R2, welches eine Abdeckung für das Reflektormodul darstellt sowie
– einen oder zwei Teilreflektoren R3a und R3b, welche die Strahlung auf das Detektorelement bzw. die Detektorelemente bündeln und umlenken.

Bei dieser Anordnung handelt es sich bei dem Reflektormodul um ein einziges Bauelement, welches die Komponenten R1, R2 und R3 beinhaltet.
Das Reflektormodul kann dabei aus einem innenverspiegelten Kunststoff aufgebaut sein oder als Metallkonstruktion ausgeführt sein. Die Metallkonstruktion kann z.B. durch ein Tiefziehverfahren erzeugt werden. Die Zuführung des zu analysierenden Gases in den Innenraum des Reflektormoduls wird durch Schlitze c in der Komponente R2 ermöglicht.
Die Komponente bzw. das Bauteil R2 kann z.B. auch als elektrische Abschirmung zur Sicherstellung günstiger EMV-Eigenschaften eingesetzt werden (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit)
Open-Path-Anordnung:
Bei der Open-Path-Anordnung entfällt die Komponente R2. Dadurch liegt der Bereich der planparallelen Strahlführung zwischen dem Reflektorteil R1 und dem Reflektorteil R3 offen. Die Ausführung der Reflektoren R1 und R3 bleibt bei dieser Anordnung unverändert. Diese können als zusammenhängendes Modul oder als Einzelreflektoren ausgeführt sein. Durch das Wegfallen des Reflektorteils R2 entsteht ein offenes System, bei welchem das zu messende Gas direkt in der Umgebungsatmosphäre erfasst werden kann. Der Vorteil dieses Aufbaus liegt bei der schnelleren Erfassung des Messgases in der Umgebungsatmosphäre. Ermöglicht wird dies durch das Fehlen eine Gehäuseteils, durch welches das Messgas erst diffundieren muss.
Sowohl für die Open-Path-Anordnung als auch für die Closed-Path-Anordnung können dieselben Reflektoren mit denselben Abständen eingesetzt werden. Beide Anordnungen sind unabhängig von der optischen Bandbreite des Detektorelements und dem Frequenzbereich der infraroten Strahlung und können daher universell für alle photometrischen Gassensoren der vorliegenden Bauart eingesetzt werden.
Weiter entscheidend für das Leistungsvermögen eines optischen Sensorsystems ist die möglichst exakte Positionierung von Detektor, Reflektor und Strahlungsquelle relativ zueinander. Nur so kann gewährleistet werden, dass ein möglichst großer Teil der Strahlungsleistung dem Detektor zugeführt wird und somit zu einer maximalen Signalausbeute führt. Dies bedeutet eine Minimierung der Toleranzkette Strahlungsquelle-Reflektormodul-Detektor und kann durch konstruktive Maßnahmen am Reflektor erreicht werden. Hierfür werden im Reflektor Aufnahmen vorgesehen, welche bei der Montage die Ausrichtung der Lampe und des Detektors bzgl. des Reflektormoduls bzw. des Gehäusebauelements sichern. Somit sind die Fertigungstoleranzen des Reflektors die einzig maßgebenden bei der Montage des Gesamtsystems. Dies hat die folgenden beiden Vorteile:

– der vom zweiten Reflektor auf das Sensorelement gerichtete Strahl kann stärker gebündelt werden, da durch die Ausrichtung des Sensorelements bzw. Detektors auf den Reflektor die Position des Sensors relativ zum Reflektor feststeht. Der dadurch mögliche kleinere Fokusfleck resultiert in einer höheren Strahlungsdichte, welche im Sensorelement ein höheres elektrisches Absolutsignal erzeugt.
– die Montage der drei Bauelemente Reflektormodul, Detektor und Strahlungsquelle wird durch die exakte Positionierung zueinander wesentlich vereinfacht.
– es wird vermieden, dass der Fokusfleck der Infrarotstrahlung das Sensorelement nicht erreicht, bzw. sich neben dem lichtempfindlichen Teil des Sensorelements befindet.

Bei der Montage der drei Bauelemente auf der Leiterplatte wird der Reflektor über entsprechende Aufnahmen auf der Leiterplatte fixiert. Die Positionierung der Strahlungsquelle und des Detektors auf der Leiterplatte erfolgt dann relativ zum Reflektor. Somit ist gewährleistet, dass alle Toleranzen, die bei getrennter Montage auftreten würden, minimiert werden.
Ein möglicher Bestückungsablauf der drei Bauteile Reflektor, Detektor und Strahlungsquelle ist im folgenden beschrieben:

– Einpressen des Detektors in eine Aufnahme des Reflektors.
– Bestücken der Reflektor-Detektor-Einheit. Dabei wird der Reflektor z.B. geclincht und der Detektor in SMD-Technik gelötet (SMD = „surface mounted device")
– Reversebestücken der Strahlungsquelle. Dabei wird die Strahlungsquelle durch eine übertolertierte Bohrung in eine Führung des Reflektors eingebracht und anschließend in SMD-Technik gelötet.

Alternativ dazu kann zuerst die Leiterplatte mit dem Detektor bestückt werden. Die Ausrichtung des Reflektors und der Lampe erfolgt dann über den fest integrierten Detektor. Wie oben beschrieben ist eine Ausrichtung aller drei Bauteile natürlich auch über die Strahlungsquelle als Referenz möglich. In diesem Fall kann die Strahlungsquelle von oben bestückt werden. In beiden Fällen muss die Ausrichtung aller drei Bauteile jedoch immer über entsprechende konstruktive Maßnahmen am Reflektor gewährleistet sein.
In 5 sind die Aufnahmen 51 und 52 für die Lampe a bzw. das Detektorelement b dargestellt. Dabei handelt es sich im Ausführungsbeispiel bei 51 um eine Führung für die Lampe a (d.h. Lampenführung) und bei 51 um eine Führung für den Reflektor b (d.h. Reflektorführung). 53 kennzeichnet (auch in den 1 und 3) die Leiterplatte.
Der zweite Reflektor kann auch zwei benachbarte Teilreflektoren R3a und R3b umfassen. Der Fokuspunkt des vom ersten Reflektor ankommenden Infrarotstrahl fällt auf die Grenzlinie zwischen den Teilreflektoren R3a und R3b. Die auf R3a und R3b fallenden Hälften des Fokuspunktes werden in zwei unterschiedliche Richtungen abgelenkt. Der Infrarotdetektor b ist als zweikanaliger Detektor ausgebildet, z.B. mit einem Messkanal und einem Referenzkanal. Einer der beiden Teilstrahlen trifft auf das dem Messkanal zugeordnete Sensorelement und der andere Teilstrahl auf das dem Referenzkanal zugeordnete Sensorelement. Die beiden Sensorelemente können dabei als z.B. benachbarte Chips in einem gemeinsamen Gehäuse oder sogar nebeneinander auf einem Chip verwirklicht sein.
Der Gassensor eignet sich wegen seiner geringen Baugröße zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, insbesondere zur Ermittlung der Kohlendioxidkonzentration in der Luft im Innenraum des Kraftfahrzeugs.

Claims

Photometrischer Gassensor zur Ermittlung einer Gaskonzentration, enthaltend wenigstens – eine infrarote Strahlungsquelle (a) – einen ersten Reflektor (R1) zur Umlenkung einer von einer infraroten Strahlungsquelle (a) herkommenden Infrarotstrahlung zu einem zweiten Reflektor (R3a, R3b), – einen zweiten Reflektor (R3a, R3b) zur Umlenkung der vom ersten Reflektor (R1) herkommenden Strahlung zu einem Infrarotdetektor (b) sowie – einen Infrarotdetektor (b), dadurch gekennzeichnet, – dass die infrarote Strahlungsquelle (a) und der Infrarotdetektor (b) auf einer gemeinsamen Leiterplatte (53) angebracht sind und – dass der erste Reflektor (R1) und der zweite Reflektor (R3a, R3b) derart angeordnet sind, dass die Strahlrichtung der vom ersten Reflektor (R1) zum zweiten Reflektor (R3a, R3b) umgelenkten Infrarotstrahlung im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Leiterplatte (53) ist.
Photometrischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Reflektor (R1) und der zweite Reflektor (R3a, R3b) – im wesentlichen aus Kunststoff bestehen und in ein Gehäusebauelement aus Kunststoff eingebaut sind oder – Teil eines Gehäusebauelements aus Kunststoff sind.
Photometrischer Gassensor. nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (R1) und zweite Reflektor (R3a, R3b) als verspiegelte Flächen des Kunststoffs ausgebildet sind.
Photometrischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (R1) und der zweite Reflektor (R3a, R3b) – im wesentlichen aus Metall bestehen und in ein Gehäusebauelement aus Metall eingebaut sind oder – Teil eines Gehäusebauelements aus Metall sind.
Photometrischer Gassensor nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gehäusebauelement um die Abdeckung des Sensors handelt.
Photometrischer Gassensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung wenigstens eine Durchlassöffnung (c) aufweist, durch welche das Gas in den Innenraum des Gassensors strömen kann.
Photometrischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der Infrarotdetektor (b) zwei Infrarotsensorelemente umfasst, – dass der zweite Reflektor aus zwei Teilreflektoren (R3a, R3b) besteht, welche die vom ersten Reflektor herkommende Strahlung in zwei in verschiedene Richtungen gehende Teilstrahlen aufteilt, – dass die beiden Teilreflektoren so angeordnet sind, dass jeder der beiden Teilstrahlen auf ein unterschiedliches der beiden Infrarotsensorelemente trifft.
Photometrischer Gassensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, – dass der zweite Reflektor (R3a, R3b) aus zwei nebeneinander angeordneten Teilreflektoren besteht – und derart angeordnet ist, dass die vom ersten Reflektor herkommende Strahlung an der Grenze zwischen beiden Teilreflektoren auftrifft, so dass auf jeden der beiden Teilreflektoren ein Teil der Strahlung auftrifft.
Photometrischer Gassensor nach einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäusebauelement Aufnahmen zur Anbringung der Infrarotquelle (a) und des Infrarotdetektors (b) angebracht sind.
Photometrischer Gassensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Aufnahmen um Führungen (51, 52) handelt.