具有用於發射窄帶寬的光的LED發射體的光學氣體傳感器的製作方法

2023-12-06 13:32:36

本發明涉及一種用於定量地測量一種或多種氣體的濃度的光學氣體傳感器。

光學氣體傳感器不僅能夠實現定性地確定一種或多種氣體的存在，而且能夠實現定量地確定一種或多種氣體的濃度。這樣的氣體傳感器例如被用在用於運送和處理可燃的和/或有毒氣體的設備中的氣體探測裝置中，以便探測不期望地逸出的氣體。

背景技術：

公知具有發射體、樣品池（küvette）以及探測器的光學氣體傳感器。在光學氣體傳感器的情況下，發射體是光源、諸如白熾燈，所述光源發射寬的光譜的光波、即具有大量不同的波長的光波。樣品池優選地是基本上封閉的空間，要測量的氣體處在所述空間內。樣品池可以向外具有開口，所述開口能夠實現樣品池與氣體傳感器的周圍環境的氣體交換。探測器是光傳感器，利用所述光傳感器能優選地測量射到所述探測器上的光的強度。為了探測確定的波長的光，帶通濾波器被連接在相對應的探測器之前。這樣的帶通濾波器可以被構造用於使一個或多個波長通過。

在運行時，要測量的氣體或氣體混合物被導入到樣品池中。為此，樣品池可以具有一個或多個開口。從光源發射的光波根據氣體混合物的組成部分的濃度以及吸收波長而被相應的氣體更強烈地或沒那麼強烈地吸收，並且緊接著射到如下光傳感器上，所述光傳感器測量所述光波的強度。以這種方式能確定，哪些波長已經如何強烈地被氣體吸收。由於公知不同氣體的特定的吸收特性，從所述結果中能確定氣體混合物的組成。

從de20202694a1中公知一種光學氣體傳感器，其具有用於容納要測量的氣體的圓柱形樣品池。在樣品池處，沿縱軸向的方向在一側布置有平面鏡，而在另一側布置有凹面鏡。凹面鏡具有多個用於容納白熾燈和光波探測器的凹陷部。從白熾燈發射的光波首先在平面鏡與凹面鏡之間多次被放射，直到這些光波射到光波探測器上。經此，延長了光波在其上可被要測量的氣體或氣體混合物吸收的光路程。因此，能更好地測量弱吸收性氣體。

這樣的光傳感器尤其是具有如下缺點，白熾燈和光波探測器在凹面鏡處的布置由於凹面鏡的彎曲的表面而僅能以高成本來製造。此外，大量被用在光學氣體傳感器中的光源具有如下缺點，發射相對寬的光波譜。因此，不僅發射了具有對於測量氣體濃度所需的波長的光波，而且發射了具有對於測量氣體濃度不重要的並且為了避免測量誤差而必須被帶通濾波器過濾出來的波長的光波。經此，使光學氣體傳感器的效率受消極影響。除此之外，白熾燈尤其是具有如下缺點，電能的大部分被轉化成熱，所述熱必須作為損耗熱被排出。這導致氣體傳感器的過多的能量消耗，而且尤其是對於通過內部電流源（諸如電池）來供電的移動應用來說是不利的。由於耗電提高，電池的壽命以及因此移動氣體傳感器的運行時長明顯被降低。

技術實現要素：

從所述現有技術出發，本發明的所基於的任務已在於提供一種至少部分地不具有這些缺點的光學氣體傳感器。因而，本發明的任務是提供一種光學氣體傳感器，利用所述光學氣體傳感器尤其是能定量地測量弱光波吸收性氣體的濃度，並且所述光學氣體傳感器具有被改善的效率。

前述任務通過一種具有專利權利要求1的特徵的用於定量地測量一種或多種氣體的濃度的光學氣體傳感器來解決。本發明的其它的特徵和細節從其它的專利權利要求、說明書以及附圖中得出。

因此，該任務通過一種用於定量地測量一種或多種氣體的濃度的光學氣體傳感器來解決，所述光學氣體傳感器具有用於發射光波的輻射源、用於容納要測量的氣體的樣品池以及用於測量光強度的探測器。輻射源具有光波的至少一個發射體、諸如led，並且被構造為同時以及彼此分開地發射至少一個第一波長的和至少一個與所述第一波長不同的第二波長的光波。發射體優選地被構造為發射如下光譜：所述光譜的半峰全寬（vollehalbswertsbreite）最大為質心波長的50%。此外，發射體優選地還被構造為發射如下離散光譜：所述離散光譜的半峰全寬最大為質心波長的20%。探測器被構造為定量地檢測所發射的第一波長和第二波長的光波的強度。發射體優選地被構造為將由發射體消耗的電能的至少80%轉化成光波。

本發明所基於的思想在於，通過使用這樣的發射體可以顯著地改善光學氣體傳感器的效率。經此，在生成光波時產生更少的熱並且因此消耗更少的電能。在通過led將電能轉化成光波時，與例如通過如在許多傳統的氣體傳感器中所使用的白熾燈相比生成更少的熱。因此，氣體傳感器在運行時具有更少的耗電。這尤其對於移動應用來說是有利的，因為經此能明顯延長所述移動應用的蓄電池的充電循環或電池的壽命。

通過分開發射不同波長的光波，例如能生成主信號以及參考信號，其中所述參考信號能用於檢驗主信號的測量結果。這裡，應示例性地列舉一種用於定量地確定甲烷的實施方案。在此，測量信號的測量波長被選擇為具有大約3.2μm，參考信號的合適的參考波長得出為3.1μm和/或為3.9μm。

不同波長的越多光波能優選地分開地生成，越多氣體能利用按照本發明的氣體傳感器定量地被確定。由此得出，發射體只發射相對窄帶寬的光譜。光波由於氣體的吸收特性而優選地在紅外範圍內。

被構造成led的發射體具有如下優點，利用所述被構造成led的發射體能發射相對短的光脈衝，而led在光脈衝以後不像白熾燈那樣有餘輝。各個led因此可以基本上緊接著相繼發射光脈衝，使得例如測量信號和參考信號延伸穿過被布置在樣品池中的基本上恆定的氣體混合物。經此避免或減少了測量誤差。此外，led還具有如下優點，所述led適合於發射相對窄帶寬的光譜，並且在將電能轉化成光波的情況下具有特別好的效率。led在作為發射體的構造中的特殊的光學特性例如是從利用光波導進行光學信號傳輸的領域中公知的。尤其是所發射的光譜由於半峰寬度和質心波長引起的窄帶寬性例如在de4011462c2中予以闡釋。

探測器例如是在光波射到時生成電流的光電二極體，所述電流的電流強度與光波的強度有關。因此，確定波長的光波經過氣體的吸收度以及氣體的類型或氣體混合物的組成能被確定。優選地，至少一個探測器被構造為檢測大量不同的、優選地不相交的波長範圍。因此，利用樣品池和探測器能以簡單並且成本有利的方式探測至少兩種不同的氣體。

相對應的帶通濾波器例如可以為了避免幹擾影響而被布置在探測器之前。根據對氣體傳感器的設計，可以根據輻射源來構造帶通濾波器。因此，在能用來發射例如以四個不同波長的光波的輻射源的情況下，在探測器前面優選地布置有如下帶通濾波器，所述帶通濾波器對於這四個波長來說都能通過。帶通濾波器所具有的另一優點是，不被帶通濾波器通過的光波可以被所述帶通濾波器反射。因此可以是有利的是，在發射體或輻射源處布置帶通濾波器，使得在具有被布置在其前面的帶通濾波器的多個輻射源的情況下，與沒有帶通濾波器相比，鏡的更少的反射面丟失。樣品池優選地被構造為使得幹擾影響、諸如來自氣體傳感器的周圍環境的光波不能侵入樣品池或射到探測器上。經此，確保了氣體傳感器的測量結果的必要的精確度。此外，樣品池與氣體傳感器的周圍環境的空氣交換優選地是能調節的或者是相對小的，使得在具有將測量信號以及參考信號至少發射一次的測量周期期間，在樣品池內的氣體混合物基本上保持恆定。經此，同樣避免或減小了測量誤差。

此外還可以規定，輻射源具有至少一個第一發射體和至少一個第二發射體，其中第一發射體被構造為發射第一波長的光波而第二發射體被構造為發射第二波長的光波。探測器和/或至少一個發射體具有至少一個光學濾波器、諸如帶通濾波器。發射體優選地被構造成led。這樣的輻射源能容易地被製造，並且需要相對小的結構空間。特別優選地，可以規定，輻射源被構造為發射離散光波譜。因此，輻射源被構造為只生成具體的波長的或相對窄的波長範圍的光波。除此之外可以規定，在輻射源前面布置帶通濾波器，所述帶通濾波器進一步縮小了由輻射源生成的波長範圍。特別優選地，能由輻射源生成大量具有如下波長的光波，所述波長在ir光譜內彼此間隔開。

優選地可以規定，樣品池具有鏡裝置，所述鏡裝置具有平面鏡和與平面鏡對置地布置的凹面鏡，其中所述凹面鏡的光軸基本上垂直於平面鏡地來布置。凹面鏡與平面鏡之間的距離優選地對應於凹面鏡的曲率半徑的整數分之一。在光束射到光傳感器上之前，所述光束在所述鏡之間多次、例如四次或六次經過樣品池。所述布置具有如下優點，弱吸收性測量氣體在氣體傳感器的相對緊湊的結構尺寸的情況下也能被測量。優選地，凹面鏡的曲率半徑能被改變，或所述凹面鏡能被具有不同的曲率半徑的凹面鏡更換。

經此，光波在氣體傳感器內的光路可以被構造為可變的，使得光波根據對凹面鏡的曲率半徑的調整而以不同頻度在凹面鏡與平面鏡之間被反射，直到所述光波射到探測器上。這具有如下優點，氣體傳感器不僅能被用於具有弱的光波吸收的測量氣體，而且能被用於具有強的光波吸收的測量氣體。

可替換地，鏡裝置可以具有兩個基本上朝向彼此布置的平面鏡，其中例如能通過調整輻射源或至少一個鏡來實現光束的相對應的反射。所述變型方案能特別簡單地，以及成本有利地被製造。

優選的是，與鏡的表面法向的入射角儘可能小，也就是說，光波近似垂直地射到所述鏡上。經此，減小了導致光波的吸收的幹擾因素（諸如在鏡表面上的水分）的影響。

此外，還優選地可以規定，輻射源和/或探測器被布置在平面鏡處。因此，以這樣布置的輻射源和探測器能例如通過透光玻璃或帶通濾波器容易地與樣品池的內部隔離，使得它們不與測量氣體直接接觸。這尤其是在被布置在樣品池中的流體可能潛在地損壞輻射源或探測器時是有利的。此外，將輻射源和探測器布置在一個平面上還具有如下優點，它們能被布置在一個共同的板上。這樣的布置因此能特別簡單地並且成本有利地被製造。進一步優選地，輻射源與光軸同平面鏡的交點相距的距離對應於探測器與該交點相距的距離。這樣的平面鏡由於其對稱性而能特別容易地被安裝。

在按照本發明的氣體傳感器的一個特別優選的設計方案中可以規定，輻射源和探測器被布置在樣品池處，使得由輻射源發射的光波直接射到探測器上。在對此有利的布置中，輻射源和探測器沒有被布置在相同的鏡處，使得光波在沒有被反射的情況下射到探測器上。這具有如下優點，能確定特別強烈的吸收性氣體。這樣的氣體傳感器優選地具有至少兩個彼此間隔開的輻射源，其中至少一個輻射源被布置在樣品池處，使得由輻射源發射的光波僅僅通過鏡裝置入射到探測器上。

氣體傳感器優選地被構造為使得輻射源與探測器間隔開地被布置在樣品池處。

發射體被構造為發射具有被引導的光路的光波。在此，平面鏡和凹面鏡就本發明而言被視為樣品池的組成部分。特別有利地，這樣的布置適合於被確定用於測量如下氣體的氣體傳感器，所述氣體僅僅微弱地吸收光波。光波作為被引導的光路被發射，該光路基本上不具有漫射輻射。這具有如下優點，所發射的光特別高效地被用於探測氣體。除此之外，這尤其是對於適合於探測具有弱的光吸收的氣體的氣體傳感器是有利的，因為經此實現了氣體傳感器的特別緊湊的結構類型。

有利的是，在樣品池處布置有恰好一個探測器。在此，該探測器被構造為定量地檢測基本上只由輻射源發射的光波。為此，該探測器例如可以具有相對應的帶通濾波器。這樣的傳感器特別適合於要求高精準度的應用。可替換地，該探測器可以被構造為定量地檢測不同波長的光波的寬光譜，其中由輻射源發射的光波是該光譜的一部分。這樣的傳感器能成本特別有利地被製造。只使用一個探測器具有如下優點，可以節省其它探測器的成本。此外，樣品池在只有一個探測器以及相同的結構尺寸的情況下具有鏡的更大的反射面，因為鏡的僅僅還有一個位置具有探測器。經此，尤其是可以改善在測量僅僅微弱地吸收光波的氣體時的精確度。

在本發明的另一設計方案中，在樣品池處彼此間隔開地布置有至少兩個輻射源。這例如具有如下優點，各個輻射源都可具有一個不那麼複雜的結構。此外，有缺陷的輻射源能彼此獨立地被更換。經此可以減小維修或更換成本。在本發明的一個優選的改進方案中，在樣品池處布置有四個輻射源。

特別優選的是，樣品池具有兩個探測器，其中所述探測器被構造用於測量不同的輻射源或兩個輻射源的不同的發射體（諸如不同的led）的光強度。在此，所述探測器優選地被布置為使得由每個探測器只能檢測一個輻射源的光波。可替換地或附加地，所述輻射源可以不同地切換或調製。所述布置具有如下優點，多種被布置在樣品池中的測量氣體能同時定量地被確定。

特別優選地，氣體傳感器具有至少有一個雙帶通濾波器，該雙帶通濾波器優選地被布置在輻射源處。進一步優選地，氣體傳感器具有至少有一個三帶通濾波器，該三帶通濾波器優選地被布置在輻射源處。經此，由相應的輻射源發射的光波的光譜能被劃分成彼此明顯分開的波長或波長譜。

附圖說明

其它改善本發明的措施從隨後對本發明的幾個實施例的描述中得出，所述實施例在附圖中示出。由權利要求書、說明書或附圖得知的特徵和/或優點的全部、包括結構細節和空間布置在內不僅可以單獨地而且可以以不同的組合來反映發明本質。各附圖分別是：

圖1示意性地示出了按照本發明的氣體傳感器的第一實施方式的側視圖；

圖2示意性地示出了對來自圖1的按照本發明的氣體傳感器的平面鏡的俯視圖；

圖3示意性地示出了對按照本發明的氣體傳感器的第二實施方式的平面鏡的俯視圖；以及

圖4示意性地示出了對按照本發明的氣體傳感器的第三實施方式的平面鏡的俯視圖。

具體實施方式

按照本發明的光學氣體傳感器1的在圖1中繪出的第一實施方式具有基本上被構造為圓柱形的樣品池3，在所述樣品池3中布置有要測量的氣體g或氣體混合物。樣品池3具有至少一個在該視圖中不能識別的開口，用於被布置在樣品池3中的氣體g與來自氣體傳感器1的周圍環境的氣體g的交換。在樣品池3的端面處布置有平面鏡6，而在另一端面處布置有凹面鏡7。所述平面鏡具有輻射源2，所述輻射源2被構造用於發射在ir光譜內的兩個不同波長的光波l並且對準凹面鏡7的方向。輻射源2具有被構造成led的發射體5，並且被構造為使得不同波長的光波l能彼此獨立地被發射。在發射體5前面可選地布置有光學濾波器，諸如帶通濾波器、雙帶通濾波器或三帶通濾波器。探測器4與光源2間隔開地被布置在平面鏡6處並且被對準凹面鏡7的方向。探測器4被構造用於測量光波的強度。凹面鏡7具有光軸8，所述光軸8基本上垂直於平面鏡6地來布置。在所述第一實施方式中，凹面鏡7與發射體5相距的距離大約為凹面鏡7的曲率半徑的一半。在使用被布置在發射體5前面的光學濾波器的情況下，所述距離稍大於凹面鏡7的曲率半徑的一半。在該圖示中繪出了由輻射源2發射的兩個不同的光束l，其中第一光束l由實線來示意性地表示而第二光束l由虛線來示意性地表示。所發射的光束l分別從凹面鏡7被反射到平面鏡6上並且又被反射到凹面鏡7上，直到所述光束l射到探測器4上。該布置在要測量的氣體g僅僅微弱地吸收光波l時以及在氣體傳感器1必須具有儘可能緊湊的結構尺寸時是特別有利的。

圖2以俯視圖示出了氣體傳感器1的第一實施方式的平面鏡6。該平面鏡6具有：第一孔洞9，在所述第一孔洞9中布置有具有第一發射體5a以及第二發射體5b的輻射源2；以及第二孔洞10，在所述第二孔洞10中布置有探測器4。按照本發明的氣體傳感器1的所述第一實施方式尤其是適合於定量地測量氣體濃度或適合於探測唯一的氣體g。為此，能由第一發射體5a和第二發射體5b交替地發射不同波長的光波l和/或能用不同的頻率對其進行調製。探測器4確定這些部分被吸收的光波l的強度。在此，由第二發射體5b發射的光波能被用作參考信號。在該實施方式中，第一發射體5a和第二發射體5b被構造成led。

在圖3中以俯視圖繪出了按照本發明的氣體傳感器1的第二實施方式的平面鏡6。該平面鏡6具有：第一孔洞9，在所述第一孔洞9中布置有具有第一發射體5a、第二發射體5b以及第三發射體5c的輻射源2；以及第二孔洞10，在所述第二孔洞10中布置有探測器4。在第一發射體5a和/或第二發射體5b和/或第三發射體5c前面可選地布置有光學濾波器，諸如帶通濾波器、雙帶通濾波器或三帶通濾波器。第一發射體5a、第二發射體5b和第三發射體5c在該實施方式中被構造成led。氣體傳感器1的第二實施方式與第一實施方式的區別在於，輻射源2附加地具有第三發射體5c。按照本發明的氣體傳感器1的所述第二實施方式尤其是適合於定量地測量或探測兩種不同的氣體g。為此，能由第一發射體5a、第二發射體5b和第三發射體5c發射不同波長的光波l。探測器4確定這些部分被吸收的光波l的強度。在此，例如由第三發射體5c發射的光波用作參考信號。

在圖4中以俯視圖繪出了按照本發明的氣體傳感器1的第三實施方式的平面鏡6。該平面鏡6具有兩個第一孔洞9和兩個第二孔洞10。在一個第一孔洞9中布置有具有第一發射體5a以及第二發射體5b的第一輻射源2a。在另一個第一孔洞9中布置有具有第三發射體5c以及第四發射體5d的第二輻射源2b。在一個第二孔洞10中布置有第一探測器4a，而在另一個第二孔洞10中布置有第二探測器4b。氣體傳感器1的第三實施方式與第一實施方式的區別在於，氣體傳感器1具有兩個輻射源2以及兩個探測器4。由第一輻射源2a發射的光波優選地能僅僅或基本上由第一探測器4a來檢測，而由第二輻射源2b發射的光波l能僅僅或基本上由第二探測器4b來檢測。在運行時，第一輻射源2a和第二輻射源2b可以同時發射光波l。第一發射體5a、第二發射體5b、第三發射體5c和第四發射體5d在該實施方式中被構造成led。按照本發明的氣體傳感器1的所述第三實施方式尤其是適合於同時定量地測量或探測氣體混合物中的兩種不同的氣體g。被布置在輻射源2或探測器4前面的帶通濾波器對於分別其它的輻射源2的光波來說作為鏡來起作用。這提高了氣體傳感器1的效率。

附圖標記列表

1氣體傳感器

2輻射源

2a第一輻射源

2b第二輻射源

3樣品池

4探測器

4a第一探測器

4b第二探測器

5發射體

5a第一發射體

5b第二發射體

5c第三發射體

5d第四發射體

6平面鏡

7凹面鏡

8光軸

9第一孔洞

10第二孔洞

g氣體

l光波