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Die
US 6,590,710 , welche der
JP-A-2001-228326 entspricht,
offenbart eine Infrarot-Gasmessvorrichtung zum Messen der Konzentration
eines Zielgases, das Infrarotlicht bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert.
Die Gasmessvorrichtung weist eine Infrarotlicht abstrahlende Infrarotquelle,
ein die bestimmte Wellenlänge
des Infrarotlichts wählendes
wellenlängenabstimmbares
Filter (d. h. ein Fabry-Perot-Filter)
und einen das gefilterte Infrarotlicht erfassenden Infrarotdetektor
auf. Die Gasmessvorrichtung misst die Konzentration des Zielgases
auf der Grundlage des Betrags des vom Infrarotdetektor erfassten
Infrarotlichts.
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Das
wellenlängenabstimmbare
Filter weist, wie in 6 gezeigt, einen ersten Spiegel 3 und
einen zweiten Spiegel 4 auf. Der erste Spiegel 3 ist über einen
ersten Oxidfilm 2 auf einem Siliziumsubstrat 1 gebildet.
Der zweite Spiegel 4 ist auf einem zweiten Oxidfilm 5 gebildet,
der auf dem ersten Spiegel 3 gebildet ist. Der erste und
der zweite Spiegel 3, 4 sind gegenüberliegend
angeordnet.
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Zwischen
dem ersten und dem zweiten Spiegel 3, 4 ist durch Ätzen des
zweiten Oxidfilms 5 über ein Ätzloch 6 ein
Spalt H gebildet. Folglich kann der zweite Spiegel 4 durch
die Aufbringung einer externen Kraft bezüglich des ersten Spiegels 3 verschoben
werden. Der Spaltabstand des Spalts H ist gleich der Dicke des zweiten
Oxidfilms 5.
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Der
erste und der zweite Spiegel 3, 4 sind beispielsweise
aus einem polykristallinem Silizium gebildet. Der erste Spiegel 3 weist
eine erste Elektrode 7 auf einer Oberfläche auf. Der zweite Spiegel 4 weist
eine zweite Elektrode 8 auf einer Oberfläche auf.
Die erste und die zweite Elektrode 7, 8 werden gebildet,
indem die Oberfläche
des ersten Spiegels 3 bzw. die Oberfläche des zweiten Spiegels 4 mit Fremdatomen
hoher Konzentration dotiert wird.
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Eine
erste externe Elektrode 9 ist auf der ersten Elektrode 7 gebildet
und elektrisch mit der ersten Elektrode 7 verbunden. Ferner
ist eine zweite externe Elektrode 10 auf der zweiten Elektrode 8 gebildet
und elektrisch mit der zweiten Elektrode 8 verbunden.
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Das
wellenlängenabstimmbare
Filter weist eine Mittenwellenlänge λ auf, die
durch den Spaltabstand des Spalts H, d. h. durch die Dicke des zweiten Oxidfilms 5 bestimmt
wird. Die Mittenwellenlänge λ liegt beispielsweise
bei 3100 Nanometern (nm). Da der erste Spiegel 3 als unterer
Spiegel des wellenlängenabstimmbaren
Filters dient, muss die optische Dicke gleich einem Viertel der
Mittenwellenlänge λ sein. Der
zweite Oxidfilm 5 weist beispielsweise eine Dicke von 592
nm und einen Brechungsindex von 1.309 auf. Sowohl der erste als
auch der zweite Spiegel 3, 4 weisen eine Dicke
von 248 nm und einen Brechungsindex von 3.125 auf.
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Wenn über die
erste und die zweite externe Elektrode 9, 10 eine
Spannung zwischen die erste und die zweite Elektrode 7, 8 gelegt
wird, wird eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen der ersten
und der zweiten Elektrode 7, 8 erzeugt. Die zweite
Elektrode 8 wird durch die elektrostatische Anziehungskraft
bezüglich
der ersten Elektrode 7 verschoben. Dies führt dazu,
dass sich der Spaltabstand des Spalts H ändert. Der Spaltabstand wird
abgestimmt, indem die zwischen die erste und die zweite Elektrode 7, 8 gelegte
Spannung abgestimmt wird. Folglich kann das wellenlängenabstimmbare
Filter die bestimmte Wellenlänge
des Infrarotlichts in Übereinstimmung
mit dem Zielgas wählen.
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Bei
dem in der 6 gezeigten wellenlängenabstimmbaren
Filter kann der Spaltabstand des Spalts H derart in drei verschiedenen
Stufen abgestimmt werden, dass das wellenlängenabstimmbare Filter die
bestimmte Wellenlänge
aus drei verschiedenen Wellenlängen
des Infrarotlichts wählen
kann. Folglich kann die Infrarot-Gasmessvorrichtung
die Konzentrationen von zwei Komponenten des Zielgases mit einem
Filter erfassen. Folglich kann die Infrarot-Gasmessvorrichtung klein
ausgebildet und kostengünstig
gefertigt werden.
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Es
kann jedoch passieren, dass ein Fremdkörper in den Spalt H eintritt
und sich zwischen die erste und die zweite Elektrode 7, 8 schiebt.
In diesem Fall kann der Spaltabstand des Spalts H nicht abgestimmt
werden. Dies führt
dazu, dass die Infrarot-Gasmessvorrichtung die Konzentration des
Zielgases fehlerhaft erfasst, da das wellenlängenabstimmbare Filter die
bestimmte Wellenlänge,
bei welcher das Zielgas das Infrarotlicht absorbiert, nicht wählen kann.
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Es
ist angesichts des vorstehend beschriebenen Problems Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Infrarot-Gasmessvorrichtung und ein
Verfahren bereitzustellen, mit denen die Konzentration eines Zielgases
genau gemessen werden kann, indem überprüft wird, ob ein wellenlängenabstimmbares
Filter eine richtige Wellenlänge
wählt.
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Eine
Gasmessvorrichtung zum Messen von Gas weist eine Infrarotquelle,
ein wellenlängenabstimmbares
Filter, einen Infrarotdetektor, ein Gehäuse und eine Steuerschaltung
auf. Das Gas absorbiert Infrarotlicht bei einer ersten Wellenlänge. Die
Infrarotquelle strahlt das Infrarotlicht ab. Das wellenlängenabstimmbare
Filter lässt
das Infrarotlicht selektiv bei einer bestimmten Wellenlänge durch.
Die Steuerschaltung weist eine Messschaltung und eine Überprüfungsschaltung
auf. Die Messschaltung steuert das wellenlängenabstimmbare Filter derart,
dass das wellenlängenabstimmbare
Filter das Infrarotlicht bei der ersten Wellenlänge durchlässt und ein erstes gefiltertes
Infrarotlicht ausgibt. Die Überprüfungsschaltung
steuert das wellenlängenabstimmbare
Filter derart, dass das wellenlängenabstimmbare
Filter das Infrarotlicht bei einer zweiten Wellenlänge durchlässt und
ein zweites gefiltertes Infrarotlicht ausgibt. Der Infrarotdetektor
erfasst einen ersten Betrag des ersten gefilterten Infrarotlichts
und einen zweiten Betrag des zweiten gefilterten Infrarotlichts.
Die Infrarotlichtquelle, das wellenlängenabstimmbare Filter und
der Infrarotdetektor sind in dem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse weist
einen Einlass zum Einführen
des Gases in das Gehäuse
auf.
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Die
Messschaltung berechnet die Konzentration des Gases auf der Grundlage
des ersten Betrags des ersten gefilterten Infrarotlichts. Die Überprüfungsschaltung überprüft, ob das
wellenlängenabstimmbare
Filter normal arbeitet, indem es den zweiten Betrag des zweiten
gefilterten Infrarotlichts mit einem Referenzwert vergleicht. Die
zweite Wellenlänge
liegt innerhalb eines Wellenlängenbereichs, in
dem atmosphärische
Gase das Infrarotlicht nicht absorbieren. Bedingt durch die Überprüfungsschaltung
kann die Gasmessvorrichtung das Gas genau erfassen. Die Überprüfungsschaltung überprüft das wellenlängenabstimmbare
Filter auf der Grundlage des Transmissionsgrads des Infrarotlichts
durch die atmosphärischen
Gase. D. h., die Überprüfungsschaltung überprüft das wellenlängenabstimmbare Filter,
indem es Luft und kein bestimmtes Gas verwendet. Bei einem solchen
Ansatz kann der Aufbau der Gasmessvorrichtung vereinfacht werden.
Ferner kann die Gasmessvorrichtung aufgrund ihres einfachen Aufbaus
klein ausgebildet und kostengünstig gefertigt
werden.
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Ein
Verfahren zum Messen von Gas mit Hilfe eines wellenlängenabstimmbaren
Filters umfasst die folgenden Schritte: Abstrahlen von Infrarotlicht;
Einstellen des wellenlängenabstimmbaren
Filters derart, dass das wellenlängenabstimmbare
Filter das Infrarotlicht bei einer ersten Wellenlänge durchlässt und ein
erstes gefiltertes Infrarotlicht ausgibt; Erfassen eines ersten
Betrags des ersten gefilterten Infrarotlichts; und Überprüfen, ob
das wellenlängenabstimmbare
Filter normal arbeitet, durch Vergleichen des ersten Betrags mit
einem Referenzwert. Die erste Wellenlänge liegt innerhalb eines Wellenlängenbereichs,
in dem atmosphärische
Gase das Infrarotlicht nicht absorbieren.
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Die
obige und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung,
die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde,
näher ersichtlich
sein. In der Zeichnung zeigt/zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht eines Infrarot-Gassensors gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Blockdiagramm des in der 1 gezeigten Infrarot-Gassensors;
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3 eine
Querschnittsansicht eines wellenlängenabstimmbaren Filters in
dem Infrarot-Gassensor der 1;
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4 ein
Ablaufdiagramm des in der 1 gezeigten
Infrarot-Gassensors;
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5A bis 5I Diagramme
den Transmissionsgrad von Infrarotlicht durch atmosphärische Gase;
und
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6 eine
Querschnittsansicht eines wellenlängenabstimmbaren Filters in
einem herkömmlichen
Infrarot-Gassensor.
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Ein
Infrarot-Gassensor 100 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist, wie in den 1 und 2 gezeigt,
eine Infrarot- bzw. IR-Quelle 20, ein wellenlängenabstimmbares Filter 30,
einen Infrarot- bzw. IR-Detektor 40, ein Gehäuse 50 und
eine Steuerschaltung 60 auf. Die Infrarotquelle 20,
das wellenlängenabstimmbare
Filter 30, der Infrarotdetektor 40 und die Steuerschaltung 60 sind
in dem Gehäuse 50 angeordnet.
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Die
Infrarotquelle 20 kann beispielsweise eine Glühlampe sein.
Die Infrarotquelle 20 strahlt, wie durch die Pfeile in
der 1 gezeigt, Infrarotlicht in einem kontinuierlichen
Wellenlängenbereich
von 2 Mikrometern (μm)
bis 10 μm
ab.
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Das
wellenlängenabstimmbare
Filter 30 ist ein Fabry-Perot-Interferenzfilter. Das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 wählt
eine bestimmte Wellenlänge
des Infrarotlichts, die von der Infrarotquelle 20 zum Infrarotdetektor 40 übertragen
werden soll. Das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 weist, wie näher in
der 3 gezeigt, ein Substrat 31, einen auf
dem Substrat 31 gebildeten entspiegelten Film 32,
einen über
den entspiegelten Film 32 auf dem Substrat 31 gebildeten
ersten Spiegel 33 und einen über eine Opferschicht auf dem
ersten Spiegel 33 gebildeten zweiten Spiegel 34 auf.
Der erste und der zweite Spiegel 33, 34 sind gegenüberliegend
angeordnet.
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Zwischen
dem ersten und dem zweiten Spiegel 33, 34 ist
durch Ätzen
der Opferschicht über
ein Ätzloch 38 ein
Spalt 37 gebildet. Der zweite Spiegel 34 kann
bezüglich
des ersten Spiegels 33 verschoben werden, wenn eine externe
Kraft auf den zweiten Spiegel 34 aufgebracht wird. Der
erste Spiegel 33 weist eine erste Elektrode 35 auf
einer Oberfläche auf.
Der zweite Spiegel 34 weist eine zweite Elektrode 36 auf
einer Oberfläche
auf. Die erste und die zweite Elektrode 35, 36 können beispielsweise
gebildet werden, indem die Oberfläche des ersten Spiegels 33 bzw.
die Oberfläche
des zweiten Spiegels 34 mit Fremdatomen hoher Konzentration
dotiert wird. Die erste und die zweite Elektrode 35, 36 sind
gegenüberliegend
angeordnet.
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Das
Substrat 31 kann beispielsweise aus Silizium, Quarz oder
dergleichen aufgebaut sein. Der erste und der zweite Spiegel 33, 34 und
die erste und die zweite Elektrode 35, 36 sind
als Dünnschichten ausgebildet
und können
beispielsweise aus Molybdän,
Silizium, Germanium, Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder dergleichen
aufgebaut sein.
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Folglich
ist das wellenlängenabstimmbare Filter 30 klein
ausgebildet und kann leicht unter Verwendung der MEMS-(Micro-Electro-Mechanical
System)-Technologie gefertigt werden.
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In
dem wellenlängenabstimmbaren
Filter 30 wird das Infrarotlicht bei der bestimmten Wellenlänge einer
Hälfte
oder eines Viertels eines Spaltabstands D des Spalts 37 derart
mehrfach zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel 33, 34 reflektiert,
dass eine Interferenz auftritt. Dies führt dazu, dass das einzig Infrarotlicht
der bestimmten Wellenlänge
durch das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 dringt.
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Wenn
eine Spannung zwischen die erste und die zweite Elektrode 35, 36 gelegt
wird, wird eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen der ersten
und der zweiten Elektrode 35, 36 erzeugt. Der zweite
Spiegel 34 wird durch die elektrostatische Anziehungskraft
bezüglich
des ersten Spiegels 33 verschoben. Der Spaltabstand D des
Spalts 37 kann stufenlos abgestimmt werden, indem die zwischen
die ersten und die zweite Elektrode 35, 36 gelegte
Spannung abgestimmt wird. Durch die Abstimmung des Spaltabstands
D kann das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 folglich die bestimmte Wellenlänge des zum
Infrarotdetektor 40 zu sendenden Infrarotlichts wählen.
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Der
Infrarotdetektor 40 erfasst das gefilterte Infrarotlicht
und gibt ein den Betrag des erfassten Infrarotlichts beschreibendes
elektrisches Signal aus. Der Infrarotdetektor 40 kann beispielsweise
als Thermosäule,
pyroelektrischer Sensor oder dergleichen ausgelegt sein.
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Das
wellenlängenabstimmbare
Filter 30 und der Infrarotdetektor 40 sind, wie
in 1 gezeigt, in einem Behälter aus Sockel 51 und
einem Gehäuse 52 mit
einem transparenten Fenster 53 versiegelt. Das von der
Infrarotquelle 20 abgestrahlte Infra rotlicht tritt über das
transparente Fenster 53 auf das wellenlängenabstimmbare Filter 30.
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Das
Gehäuse 50 weist
einen Einlass und einen Auslass für ein zu erfassendes Zielgas
auf. Das Zielgas wird auf einen Lichtpfad zwischen der Infrarotquelle 20 und
dem wellenlängenabstimmbaren
Filter 30 gegeben. Das Zielgas absorbiert die bestimmte
Wellenlänge
des Zielgases wenigstens teilweise. Das wellenlängenabstimmbare Filter 30 lässt einzig das
die bestimmte Wellenlänge
aufweisende Infrarotlicht durch.
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Das
gefilterte Infrarotlicht erreicht den Infrarotdetektor 40 und
wird in ein elektrisches Signal gewandelt. Das elektrische Signal
wird an einen Prozessor in der Steuerschaltung 60 gegeben,
und der Prozessor berechnet die Konzentration des Zielgases auf
der Grundlage des elektrischen Signals.
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Der
Infrarot-Gassensor 100 weist, wie vorstehend beschrieben,
die Infrarotlicht abstrahlende Infrarotquelle 20, das die
bestimmte Wellenlänge
des Infrarotlichts wählende
wellenlängenabstimmbare Filter 30 und
den Infrarotdetektor 40 auf, welcher das gefilterte Infrarotlicht
erfasst und das erfasste Infrarotlicht in ein elektrisches Signal
wandelt. Die vom wellenlängenabstimmbaren
Filter 30 gewählte
bestimmte Wellenlänge
kann stufenlos geändert
werden, indem der Spaltabstand D des Spalts 37 zwischen
dem ersten und dem zweiten Spiegel 33, 34 geändert wird.
Auf diese Weise kann der Infrarot-Gassensor 100 die Konzentrationen
von Gasen verschiedener Art erfassen.
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Die
5A bis
5I zeigen
Diagramme des Transmissionsgrads von Infrarotlicht durch atmosphärische Gase.
Die Diagramme stammen aus dem japanischen Fachbuch
"Sekigaisen Kougaku" (ISBN-13: 978-4885521225)
von Haruyoshi Hisano vom April 1994. Wie aus den
5A bis
5I ersichtlich,
liegt der Transmissionsgrad von Infrarotlicht in Wellenlängenbereichen
zwischen 1.55 und 1.75 μm,
zwischen 2.05 und 2.33 μm,
zwischen 3.5 und 4.16 μm
und zwischen 9.4 und 12.4 μm
bei annähernd
100%. Die Steuerschaltung
60 kann eine Filterüberprüfungsschaltung
aufweisen, die auf der Grundlage des Transmissionsgrads des Infrarotlichts durch
die atmosphärischen
Gase überprüft, ob das wellenlängenabstimmbare
Filter
30 normal arbeitet. Die Wellenlängenbereiche, bei denen der
Transmissionsgrad des Infrarotlichts bei annähernd 100% liegt, werden nachstehend
als "absorptionsfreier Wellenlängenbereich" bezeichnet. Die
Wellenlängenbereiche
außerhalb
des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs
werden nachstehen als "Absorptionswellenlängenbereich" bezeichnet.
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Der
Infrarot-Gassensor 100 arbeitet entsprechend dem in der 4 gezeigten
Ablaufdiagramm. In Schritt S1 wird der Infrarot-Gassensor 100 mit Strom
versorgt bzw. eingeschaltet. In Schritt S2 wird die Infrarotquelle 20 anschließend durch
einen Treiber in der Steuerschaltung 60 eingeschaltet,
so dass sie damit beginnt, Infrarotlicht abzustrahlen.
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In
Schritt S3 wird der Spaltabstand D des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 anschließend derart
abgestimmt, dass das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 eine erste Überprüfungswellenlänge λF1 innerhalb
des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs
wählt.
Die erste Überprüfungswellenlänge λF1 liegt
beispielsweise bei 2.1 μm.
In Schritt S4 erfasst der Infrarotdetektor 40 anschließend das
gefilterte Infrarotlicht und wandelt das erfasste Infrarotlicht
in ein erstes Überprüfungssignal
VF1, welches den Betrag des erfassten Infrarotlichts anzeigt. In Schritt
S5 wird das erste Überprüfungssignal
VF1 anschließend
in einem Speicher (nicht gezeigt) in der Steuerschaltung 60 gespeichert.
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Die
Schritte S3 bis S5 werden noch einmal wiederholt. Im zweiten Schritt
S3 wird der Spaltabstand D des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 derart
abgestimmt, dass das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 eine zweite Überprüfungswellenlänge λF2 innerhalb
des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs
wählt.
Die zweite Überprüfungswellenlänge λF2 unterscheidet
sich von der ersten Überprüfungswellenlänge λF1. Die zweite Überprüfungswellenlänge λF2 liegt
beispielsweise bei 2.3 μm.
In diesem Fall liegt die zweite Überprüfungswellenlänge λF2 innerhalb
des gleichen absorptionsfreien Wellenlängenbereichs wie die erste Überprüfungswellenlänge λF1. Alternativ
kann die zweite Überprüfungswellenlänge λF2 innerhalb
eines von dem der ersten Überprüfungswellenlänge λF1 verschiedenen
absorptionsfreien Wellenlängenbereichs
liegen. Die zweite Überprüfungswellenlänge λF2 kann beispielsweise
innerhalb des Wellenlängenbereichs
zwischen 9.4 und 12.4 μm
liegen. Im zweiten Schritt 34 erfasst der Infrarotdetektor 40 anschließend das
gefilterte Infrarotlicht und wandelt das erfasste Infrarotlicht
in ein zweites Überprüfungssignal
VF2, welches den Betrag des erfassten Infrarotlichts beschreibt.
Im zweiten Schritt S5 wird das zweite Überprüfungssignal VF2 anschließend im
Speicher der Steuerschaltung 60 gespeichert.
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In
Schritt S60 berechnet die Steuerschaltung 60 anschließend ein
Signalverhältnis
VF1/VF2 zwischen dem ersten Überprüfungssignal
VF1 und dem zweiten Überprüfungssignal
VF2. In Schritt S7 bestimmt die Steuerschaltung 60 anschließend, ob
das Signalverhältnis
VF1/VF2 annähernd
den Wert eins (1) aufweist. Da die erste Überprüfungswellenlänge λF1 und die
zweite Überprüfungswellenlänge λF2 annähernd gleich
sind und innerhalb des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs liegen, sind das
erste Überprüfungssignal
VF1 und das zweite Überprüfungssignal
VF2 annähernd
gleich. Folglich nimmt das Signalverhältnis VF1/VF2 annähernd den
Wert eins an, sofern das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 nicht fehlerhaft arbeitet.
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In
Schritt S7 bestimmt die Steuerschaltung 60 dann, wenn das
Signalverhältnis
VF1/VF2 nicht annähernd
eins ist, dass das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 fehlerhaft arbeitet und eine falsche Wellenlänge, d.
h. eine von der ersten Überprüfungswellenlänge λF1 und der
zweiten Überprüfungswellenlänge λF2 verschiedene
Wellenlänge
wählt.
Folglich wird in Schritt S8 eine erste Fehlernachricht, die besagt,
dass das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 fehlerhaft arbeitet, auf einem in der 2 gezeigten Bildschirm
angezeigt und der Prozess gestoppt.
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Demgegenüber bestimmt
die Steuerschaltung 60 in Schritt S7 dann, wenn das Signalverhältnis VF1/VF2
annähernd
eins ist, dass das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 normal arbeitet. Folglich wird der Prozess fortgesetzt.
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In
Schritt S9 wird der Spaltabstand D des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 anschließend derart
abgestimmt, dass das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 eine dritte Überprüfungswellenlänge λL wählt. In
Schritt S10 erfasst der Infrarotdetektor 40 anschließend das
gefilterte Infrarotlicht und wandelt das erfasste Infrarotlicht
in ein drittes Überprüfungssignal
VL, welches den Betrag des erfassten Infrarotlichts be schreibt.
In Schritt S11 bestimmt die Steuerschaltung 60 anschließend, ob
das dritte Überprüfungssignal
VL einen Schwellenwert VT überschreitet.
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In
Schritt S11 bestimmt die Steuerschaltung 60 dann, wenn
das dritte Überprüfungssignal
VL unterhalb des Schwellenwerts VT liegt, dass sich der Betrag des
von der Infrarotquelle 20 abgestrahlten Infrarotlichts
durch beispielsweise die Alterung der Infrarotquelle bedingt verringert
hat. Folglich wird in Schritt S12 eine zweite Fehlernachricht, die
anzeigt, dass die Infrarotquelle 20 fehlerhaft arbeitet,
auf dem Bildschirm angezeigt und der Prozess gestoppt.
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Demgegenüber bestimmt
die Steuerschaltung 60 in Schritt S11 dann, wenn das dritte Überprüfungssignal
VL den Schwellenwert VT überschreitet, dass
die Infrarotquelle 20 normal arbeitet. Folglich wird der
Prozess fortgesetzt.
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In
Schritt S13 wird der Spaltabstand D des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 anschließend derart
abgestimmt, dass das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 eine Zielwellenlänge λS wählt, bei welcher das zu messende
Zielgas das Infrarotlicht absorbiert. In Schritt S14 erfasst der
Infrarotdetektor 40 anschließend das gefilterte Infrarotlicht
und wandelt das erfasste Infrarotlicht in ein das erfasste Infrarotlicht
beschreibendes Erfassungssignal VS. In Schritt S15 wird das Erfassungssignal
VS anschließend
im Speicher der Steuerschaltung 60 gespeichert. In Schritt
S16 berechnet die Steuerschaltung 60 anschließend die
Konzentration des Zielgases auf der Grundlage des Erfassungssignals
VS. In Schritt S17 erscheint die berechnete Konzentration anschließend auf
dem Bildschirm. Sollen Konzentrationen einer Mehrzahl von Komponenten
des Zielgases erfasst werden, so werden die Schritte S13 bis S17 wiederholt.
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In
Schritt S18 wird die Infrarotquelle 20 anschließend abgeschaltet.
Anschließend
wird der Infrarot-Gassensor 100 in Schritt S19 abgeschaltet.
In dem in der 4 gezeigten Ablaufdiagramm entsprechen
die Schritte S3 bis S8 einem Filterüberprüfungsprozess zum Überprüfen, ob
das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 normal arbeitet, die Schritte S9 bis S12 einem
Infrarotquellenüberprüfungsprozess zum Überprüfen, ob
die Infrarotquelle 20 normal arbeitet, und die Schritt
S13 bis S17 einem Messprozess zum Messen der Konzentration des Zielgases.
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Der
Filterüberprüfungsprozess
wird gemäß dem Infrarot-Gassensor 100,
wie vorstehend beschrieben, ausgeführt, bevor der Messprozess
ausgeführt
wird. Bei dem Filterüberprüfungsprozess
wird der Betrag des gefilterten Infrarotlichts bei der ersten und
der zweiten Überprüfungswellenlänge λF1, λF2 innerhalb
des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs
erfasst und in das erste bzw. das zweite Überprüfungssignal VF1, VF2 gewandelt.
Die Fehlfunktion des wellenlängenabstimmbaren
Filters 30 wird auf der Grundlage des Signalverhältnisses
VF1/VF2 überprüft. Bei
einem solchen Ansatz kann die Fehlfunktion des wellenlängenabstimmbaren
Filters 30 selbst dann erfasst werden, wenn sich der Betrag
des von der Infrarotquelle 20 abgestrahlten Infrarotlichts durch
die Alterung der Infrarotquelle 20 bedingt verringert hat.
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Die
Fehlfunktion des wellenlängenabstimmbaren
Filters 30 wird auf der Grundlage des Transmissionsgrads
des Infrarotlichts durch die atmosphärischen Gase überprüft. D. h.,
die Fehlfunktion des wellenlängenabstimmbaren
Filters 30 wird überprüft, indem
Luft und kein bestimmtes Gas verwendet wird. Folglich kann der Aufbau
des Infrarot-Gassensors 100 derart vereinfacht werden,
dass das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 in kurzer Zeit einfach überprüft werden kann. Ferner kann
der Infrarot-Gassensor 100 aufgrund seines einfachen Aufbaus
klein ausgebildet und kostengünstig
gefertigt werden.
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Die
erste und die zweite Überprüfungswellenlänge λF1, λF2 sollten
vorzugsweise nahe der Grenze des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs liegen.
Bestenfalls wird der absorptionsfreie Bereich durch die erste und
die zweite Überprüfungswellenlänge λF1, λF2 begrenzt.
Bei einem solchen Ansatz lässt
das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 das Infrarotlicht auch dann, wenn das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 leicht fehlerhaft arbeitet, bei einer Wellenlänge außerhalb
des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs,
d. h. innerhalb des Absorptionswellenlängenbereichs durch. Dies führt dazu,
dass das Signalverhältnis
VF1/VF2 deutlich von eins abweicht, obgleich das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 leicht fehlerhaft arbeitet. Folglich kann die
Fehlfunktion des wellenlängenabstimmbaren
Filters 30 derart sicher erfasst werden, dass die Konzentration des
Zielgases genau gemessen werden kann.
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Alternativ
kann ein Referenzsignal V0, welches einer Referenzwellenlänge λF0 innerhalb
des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs
entspricht, vorher im Speicher der Steuerschaltung 60 gespeichert
werden. In diesem Fall wird das wellenlängenabstimmbare Filter 30 wie
folgt überprüft. Bei
dem Filterüberprüfungsprozess
wird der Spaltabstand D des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 derart
abgestimmt, dass das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 die Referenzwellenlänge λF0 wählt. Anschließend erfasst
der Infrarotdetektor 40 das gefilterte Infrarotlicht und
wandelt das erfasste Infrarotlicht in ein Referenzsignal VF0, welches
den Betrag des erfassten Infrarotlichts beschreibt. Das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 wird auf der Grundlage eines Signalverhältnisses
VF0/V0 überprüft. Bei
einem solchen Ansatz kann der Filterüberprüfungsprozess vereinfacht werden.
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Zusätzlich zum
Filterüberprüfungsprozess wird
der Infrarotlichtquellenüberprüfungsprozess
vor dem Messprozess ausgeführt.
Bei einem solchen Ansatz kann die Fehlfunktion der Infrarotquelle 20 derart
erfasst werden, dass die Konzentration des Zielgases noch genauer
gemessen werden kann.
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Der
Infrarot-Gassensor 100 der Ausführungsform ist, wie vorstehend
beschrieben, klein ausgebildet und mit geringen Fertigungskosten
verbunden. Ferner kann der Infrarot-Gassensor 100 die Konzentrationen
von mehreren Komponenten des Zielgases messen, indem er das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 verwendet. Ferner werden die Fehlfunktionen der
Infrarotquelle 20 und des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 derart
erfasste, dass die Konzentrationen genau gemessen werden können. Folglich
kann der Infrarot-Gassensor 100 selbst unter schwierigen
Bedingungen verwendet werden.
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Der
Infrarot-Gassensor 100 kann beispielsweise an einem Fahrzeug
befestigt sein, um das Abgas des Fahrzeugs zu messen. Das Abgas
enthält
in Wesentlichen Cox, NOx und SOx. Diese Hauptkomponenten des Abgases
absorbieren Infrarotlicht bei einer Wellenlänge zwischen 3 und 8 μm. Folglich
wird das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 dann, wenn der Infrarot-Gassensor 100 dazu
verwendet wird, das Abgas des Fahrzeugs zu messen, vorzugsweise überprüft, indem
die Wellenlängenbereiche
zwischen 2.05 und 2.33 μm
und zwischen 9.4 und 12.4 μm
verwendet werden, von denen jeder dem absorptionsfreien Wellenlängenbereich
entspricht und neben dem Wellenlängenbereich
zwischen 3 und 8 μm
liegt, in welchem das Abgas das Infrarotlicht absorbiert. Bei einem
solchen Ansatz kann der Infrarot-Gassensor 100 die Konzentrationen
der Abgaskomponenten genau erfassen.
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Die
vorstehend beschriebene Ausführungsform
kann auf verschiedene Weisen ausgestaltet werden. Die Schritte S3
bis S5 können
beispielsweise zwei oder mehr als zweimal wiederholt werden, so dass
die Fehlfunktion des wellenlängenabstimmbaren
Filters 30 noch sicherer erfasst werden kann.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird der Filterüberprüfungsprozess
jedes Mal ausgeführt,
wenn der Infrarot-Gassensor 100 eingeschaltet wird, d.
h. wenn das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 eingeschaltet wird. Alternativ kann der Filterüberprüfungsprozess
jedes Mal ausgeführt
werden, wenn der Schritt S17 abgeschlossen ist, d. h. wenn eine
Komponente des Zielgases gemessen wurde. Bei einem solchen Ansatz
kann der Infrarot-Gassensor 100 die Konzentration des Zielgases
noch genauer messen.
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Solche Änderungen
und Ausgestaltungen sollen als mit in dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung,
sowie er in dem beigefügten
Ansprüchen dargelegt
wird, beinhaltet verstanden werden.
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Vorstehend
wurden eine Infrarot-Gasmessvorrichtung und ein zugehöriges Verfahren
offenbart.
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Eine
Infrarot-Gasmessvorrichtung zum Messen von Gas weist eine Infrarotquelle 20 zum
Abstrahlen von Infrarotlicht, ein wellenlängenabstimmbares Filter 30 zum
selektiven Durchlassen des Infrarotlichts bei einer bestimmten Wellenlänge, einen
Infrarotdetektor 40 zur Erfassung des Betrags des gefilterten
Infrarotlichts und eine Steuerschaltung 60 zur Steuerung
des wellenlängenabstimmbaren
Filters 30 auf. Die Steuerschaltung 60 weist eine Überprüfungsschaltung
auf, die überprüft, ob das
wellenlängenabstimmbare
Filter 30 eine richtige Wellenlänge wählt. Die Überprüfungsschaltung steuert das wellenlängenabstimmbare
Filter 30 derart, dass das wellenlängenabstimmbare Filter 30 das
Infrarotlicht bei einer Wellenlänge
innerhalb eines Wellenlängenbereichs
durchlässt,
in dem das Infrarotlicht nicht von atmosphärischen Gasen absorbiert wird.
Die Überprüfungsschaltung überprüft, ob das
wellenlängenabstimmbare
Filter 30 normal arbeitet, indem es den Betrag des gefilterten
Infrarotlichts mit einem Referenzwert vergleicht.