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DE112020003132B4 - Mehrkanalgassensor - Google Patents

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DE112020003132B4
DE112020003132B4 DE112020003132.2T DE112020003132T DE112020003132B4 DE 112020003132 B4 DE112020003132 B4 DE 112020003132B4 DE 112020003132 T DE112020003132 T DE 112020003132T DE 112020003132 B4 DE112020003132 B4 DE 112020003132B4
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Henrik Rödjegård
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SenseAir AB
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Abstract

Mehrkanalgassensor (100, 200, 300, 400, 500, 600), der aufweist:eine Gaszelle (101, 601) mit Mehrfachdurchgang, die eingerichtet ist, das Gas zu führen;eine Lichtquelle (110, 210, 310, 410, 510, 610), die eingerichtet ist, Lichtstrahlung in die Gaszelle zu emittieren;dadurch gekennzeichnet, dass er ferner aufweist:ein erstes Interferenzfilter (150, 250, 350, 450, 550, 650), das eingerichtet ist, durch von der Lichtquelle emittiertes Licht beleuchtet zu werden, das sich durch wenigstens einen Teil der Gaszelle (101, 601) ausgebreitet hat, und dazu konfiguriert ist, einen ersten Wellenlängenabschnitt der Lichtstrahlung zu übertragen und Lichtstrahlung außerhalb des ersten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren;eine erste Detektionseinheit (120, 220, 320, 420, 520, 620), die eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle, das durch das erste Interferenzfilter übertragen wurde, zu erfassen; undeine zweite Detektionseinheit (130, 230, 330, 430, 530, 630), die eingerichtet ist, durch Licht von der Lichtquelle, das in dem ersten Interferenzfilter (150, 250, 350, 450, 550, 650) reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden und wenigstens einen zweiten Wellenlängenabschnitt des Lichts, das in dem ersten Interferenzfilter reflektiert worden ist, zu erfassen,eine Reflexionsoberfläche (681) mit zwei kugelförmigen, konkaven Spiegeln mit dem gleichen Krümmungsradius,wobei das erste Interferenzfilter (150, 250, 350, 450, 550, 650) entlang eines Spiegels (682) angeordnet ist,wobei der Spiegel (682), das erste Interferenzfilter (150, 250, 350, 450, 550, 650), die erste Detektionseinheit (120, 220, 320, 420, 520, 620) und die zweite Detektionseinheit (130, 230, 330, 430, 530, 630) entlang einer ersten Seite der Gaszelle (101, 601) mit Mehrfachdurchgang angeordnet sind und die Reflexionsoberfläche (681) mit zwei konkaven Spiegeln entlang einer zweiten Seite der Gaszelle (101, 601) mit Mehrfachdurchgang angeordnet ist,wobei die zweite Detektionseinheit derart angeordnet ist, dass sich der zweite Wellenlängenabschnitt, der in dem ersten Interferenzfilter (150, 250, 350, 450, 550, 650) reflektiert wird, in der Gaszelle (101, 601) ausgebreitet hat, bevor er die zweite Detektionseinheit beleuchtet.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Gassensor. Insbesondere bezieht sie sich auf einen Mehrkanalgassensor, der ein Interferenzfilter nutzt, um Licht von einer Lichtquelle über eine Gaszelle an eine erste Detektionseinheit und eine zweite Detektionseinheit zu leiten, zur Verwendung in Gasdetektionsanwendungen.
  • STAND DER TECHNIK
  • Optisches Abtasten unter Verwendung der Absorptionsbanden von verschiedenen Gasen in dem sichtbaren oder infraroten Wellenlängenbereich ist ein Verfahren zum Charakterisieren des Gehalts eines Gases.
  • Um den Gehalt eines Gases unter Verwendung der Absorptionsbanden in einem Kompaktgerät zu messen, kann die Messung in einer Vertiefung mit Reflexionsoberflächen durchgeführt werden, die durch mehrere Reflexionen einen optischen Weg ergeben, der länger als das Gerät ist. Dadurch kann die Länge, die Strahlung von einer bereitgestellten Strahlungsquelle mit dem Gas interagiert, vergrößert werden und die Detektion des Gasgehalts kann verbessert werden.
  • Zum Charakterisieren des Gehalts eines bestimmten Gases wird davon ausgegangen, dass es vorteilhaft ist, die Messung bei einer Wellenlänge durchzuführen, bei der eine Absorptionsbande des bestimmten Gases einzeln gemessen werden kann, wodurch die gleichzeitige Messung anderer Gase mit ähnlichen Absorptionsbanden verringert wird. In zahlreichen Fällen begrenzt dies die verwendbaren Wellenlängen zur Messung. In einigen Fällen ist die Ausrüstung, wie etwa Strahlungsquellen und Sensoren, die zum Messen in den geeigneten Wellenlängen geeignet ist, kostspielig oder aufwändig.
  • Es ist ein bekanntes Problem, dass die geringen Konzentrationen von Gas, das in Schnüffelanwendungen bereitgestellt wird, hohe Auflösung und hohe Empfindlichkeit erfordern, um die bereitgestellten begrenzten Mengen zu erfassen. Gleichermaßen erfordern die geringen Konzentrationen einer Probe, die eine getrennte Detektion von Ausatemgasen, eine höhere Auflösung und höhere Empfindlichkeit als Mundstückdetektion von Ausatemgasen.
  • Aus der DE 10 2016 108 544 A1 ist eine Messeinrichtung zur Erfassung unterschiedlicher Gase und Gaskonzentrationen, umfassend eine Infrarotstrahlungsquelle, einen einen optischen Pfad aufweisenden Messkanal, sowie entlang des Messkanals angeordnete Strahlungsdetektoren bekannt, sowie ein Verfahren, welches die Messeinrichtung nutzt. Der optische Pfad weist mindestens einen Umlenkpunkt auf, wobei an einem ersten Umlenkpunkt ein erstes Bandpass-Interferenzfilter und dem Bandpass-Interferenzfilter ein erster Strahlungsdetektor nachgeordnet angeordnet ist.
  • Aus der CN 1 384 350 A ist ein Mehrkomponenten-Gasanalysator mit Kassettenlichtwegsystem bekannt. Das Analysator hat mindestens eine Kassette, die ein Lichtquellensystem mit einer IR-Lichtquelle und einem kondensierenden Parabolspiegel zur Erzeugung eines parallelen IR-Strahls, ein Lichtwegesystem mit einem Kassettengehäuse, einem optisch absorbierenden Hohlraum und einer reflektierenden Hohlspiegelkombination, ein gefaltetes optisches System mit einer Strahlteilerlinse, und einem Deflektor zur Weiterleitung des IR-Lichts in die nächste Kassette und ein Doppelband-IR-Detektorsystem mit einem Referenzdetektor und einem Messdetektor umfasst, wobei jeder Detektor einen optischen Filter und einen Sensor enthält.
  • Aus der DE 10 2007 043 643 A1 ist ein System für die Detektion und Analyse mindestens einer flüchtigen Substanz in Atemproben eines Probanden bekannt. Das System hat mindestens eine Quelle von Infrarotstrahlung, die an den Wellenlängenbereich spezifischer Absorptionsspitzen der Substanzen angepasst ist, mehrere reflektierende Oberflächen, die ausgelegt sind für Kollimation auf mindestens einen Detektor, der mehrere elektrische Ausgangssignale entsprechend der Transmission der Strahlung innerhalb den Absorptionsspitzen entsprechenden Wellenlängenintervallen vorsieht, und mindestens eine Messzelle mit einer mechanischen Tragstruktur, die die Position der Quelle, der reflektierenden Oberflächen und des Detektors festlegt und die für die Aufnahme und Beseitigung der Atemprobe ausgelegt ist, und deren Beaufschlagen mit der Strahlung, mindestens eine elektronische Signalverarbeitungseinrichtung mit der Fähigkeit, die Signale bezüglich vorprogrammierter Informationen, die Infrarotabsorptionsspektren der Substanzen betreffen, zu analysieren.
  • Aus der US 2010 / 0 078 563 A1 ist eine nicht-dispersive Einzelstrahldetektionsanordnung in einem Infrarot-Gasanalysator bekannt. Die Detektionsanordnung umfasst eine oder mehrere Strahlungsquellen, die Infrarotstrahlung liefern, eine Messkammer und einen physikalischen Strahlteiler zur Aufteilung des Strahls in einen reflektierten und einen transmittierten Strahlteil oder zur Kombination eines reflektierten und eines transmittierten Strahlteils zu dem Strahl. Ein Messdetektor empfängt einen Strahlenteil und ein Referenzdetektor einen anderen Strahlenteil. Alternativ dazu empfängt ein Mess-/Referenzdetektor beide Strahlenanteile. Der gesendete Strahlteil hat eine erste spektrale Intensitätsspitze bei kürzeren Wellenlängen mit einer ersten Spitzenwellenlänge, und der reflektierte Strahlteil hat eine zweite spektrale Intensitätsspitze bei längeren Wellenlängen mit einer zweiten Spitzenwellenlänge. Zwischen der zweiten Spitzenwellenlänge und der ersten Spitzenwellenlänge besteht eine Wellenlängenlücke, die einer Wellenlängenverschiebung eines optischen Interferenzfilters mit der zweiten Spitzenwellenlänge entspricht, wenn dieses aus seiner senkrechten Position in eine gewinkelte Position gekippt wird.
  • Aus der EP 1 332 346 B1 ist ein Infrarotspektrophotometer beschrieben, bei dem eine Infrarotquelle zur Emission von Infrarotenergie vorgesehen ist. Eine Probenzelle ist für die Aufnahme von zu analysierenden Gasen vorgesehen und befindet sich im Pfad der von der Quelle emittierten Infrarotenergie. Eine Detektoranordnung umfasst einen ersten, einen zweiten und einen dritten Thermopile-Detektor, die in thermischer Nähe zueinander angebracht sind und auf auftreffende Infrarotenergie ansprechen, um eine elektrische Antwort zu erzeugen. Der erste und der zweite Detektor befinden sich im Pfad der Infrarotenergie, und der dritte Detektor befindet sich außerhalb des Pfades der von der Quelle emittierten Infrarotenergie. Das Spektrophotometer umfasst ferner einen Schmalbandfilter, der einem Absorptionswellenlängenband für ein interessierendes Gas entspricht, und einen Schmalbandreferenzfilter, der einem Referenzwellenlängenband entspricht. Jeder der Schmalbandfilter ist zwischen der Detektoranordnung und der Quelle im Weg der von der Quelle auf den ersten bzw. zweiten Detektor emittierten Infrarotenergie angeordnet.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, auf die zuvor genannten Nachteile und Schwächen der bislang bekannten Gassensoren zu verzichten und eine verbesserte Lösung für Messungen eines Gases bereitzustellen.
  • Insbesondere besteht eine Aufgabe darin, einen Gassensor zur verbesserten Detektion von geringen Gaskonzentrationen in einer kompakten und preiswerten Lösung bereitzustellen.
  • Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass Mehrfachstichprobenentnahmen von unterschiedlichen Kanälen Messungen in Wellenlängen ermöglichen, bei denen mehrere Gase nebeneinander bestehende Absorptionsbanden haben. Unter Berücksichtigung ihrer zusammengeführten Wirkung auf die Messung auf die getrennten Kanäle und daraus das getrennte Auftreten der Gase berechnen. Dadurch werden mehrere Vereinfachungen, wie etwa in der Strahlungsquelle und den Detektoren, die verwendet werden, in einer robusteren Messvorrichtung ermöglicht. Soll beispielsweise eine Gasprobe auf das Vorkommen der Gase A und B analysiert werden, bei dem das Gas A bei der Wellenlänge wA absorbiert und das Gas B bei der Wellenlänge wA und wB absorbiert, ist es möglich, Messungen in wB durchzuführen und ein Ergebnis zu erhalten, das von einer in wA durchgeführten Messung subtrahiert werden kann, um eine Messung des Gases A ohne den Beitrag von Gas B zu erhalten. Das Prinzip kann auf mehrere Messungen und überschneidende Beiträge erweitert werden, wodurch genauere Messungen ermöglicht werden.
  • Das Bereitstellen eines Gassensors, der eine angemessene Empfindlichkeit hat und in den beschriebenen Bedingungen funktionssicher ist, ist alles andere als trivial.
  • Dies gilt insbesondere dann, wenn der Gassensor in der Lage sein soll, mehrere Substanzen zu erfassen, und nicht durch Schwankungen ungemessener Substanzen gestört werden soll.
  • Die Detektion von geringen Gaskonzentrationen, die für gerichtete Atem- oder Schnüffelanwendungen erforderlich sind, erfordern eine höhere Auflösung als bestehende kostengünstige Lösungen. Messungen von mehreren verschiedenen Gasen gleichzeitig werden auch für kontaktlose Atem- oder Schnüffelanwendungen benötigt, um die tatsächliche Verdünnung zu berechnen, jedoch sind bestehende Mehrgasabtastlösungen kostspielig, unhandlich und verbrauchen viel elektrischen Strom. Messungen von Gas mit geringer Konzentration sind dahingegen oft durch die Querempfindlichkeit anderer Gase, die reichlicher vorkommen und gleichzeitig vorhanden sind, eingeschränkt.
  • In Anbetracht des Vorstehenden, besteht eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung darin, einen verbesserten Gassensor bereitzustellen, der verbesserte Messungen eines Gases durch die Verwendung einer Mehrkanalmessung ermöglicht.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird in einem Mehrkanalgassensor nach den beigefügten Patentansprüchen erzielt.
  • In einem ersten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Mehrkanalgassensor. Der Mehrkanalgassensor weist eine Gaszelle, eine Lichtquelle, ein erstes Interferenzfilter, eine erste Detektionseinheit und eine zweite Detektionseinheit auf.
  • Die Gaszelle ist eingerichtet, das Gas zu führen. Die Lichtquelle ist eingerichtet, Lichtstrahlung in die Gaszelle zu emittieren. Das erste Interferenzfilter ist eingerichtet, durch von der Lichtquelle emittiertes Licht beleuchtet zu werden, das sich durch wenigstens einen Teil der Gaszelle ausgebreitet hat, und ist dazu konfiguriert, einen ersten Wellenlängenabschnitt der Lichtstrahlung zu übertragen und Lichtstrahlung außerhalb des ersten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die erste Detektionseinheit ist eingerichtet, Licht von der Lichtquelle, das durch das erste Interferenzfilter übertragen worden ist, zu erfassen. Die zweite Detektionseinheit ist eingerichtet, durch Licht von der Lichtquelle, das in dem ersten Interferenzfilter reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden und wenigstens einen zweiten Wellenlängenabschnitt des Lichts, das in dem ersten Interferenzfilter reflektiert worden ist, zu erfassen. Die zweite Detektionseinheit ist derart angeordnet, dass sich der zweite Wellenlängenabschnitt, der in dem ersten Interferenzfilter reflektiert wird, in der Gaszelle ausgebreitet hat, bevor er die zweite Detektionseinheit beleuchtet.
  • Unter Ausbreitung in der Gaszelle ist gemeint, dass sich das Licht durch wenigstens einen Teil der Gaszelle ausbreitet.
  • Somit unterscheidet sich der Ausbreitungsweg in der Gaszelle für das Licht, das die erste Detektionseinheit beleuchtet, und das Licht, das die zweite Detektionseinheit beleuchtet.
  • Dadurch kann ein Mehrkanalgassensor zum Messen bei unterschiedlichen Wellenlängen bereitgestellt werden. Beispielsweise können verschiedene gasspezifische spektrale Wellenlängen mit verschiedenen Ausbreitungswegen aus der Gaszelle abgegriffen werden, getrennt an gut definierten Zwischenbildpunkten, die auf bestimmten Punkten der Gaszelle ausgebildet sind. Der Punkt der Gaszelle, an dem das ausgewählte Bild ausgebildet ist, kann ein optisches Interferenzfilter angeordnet sein. Das Interferenzfilter überträgt das mit der molekularen Absorption verbundene Wellenlängenband für eines oder mehrere der Zielgase an eine Detektionseinheit, während die Außerbandstrahlung reflektiert wird, und somit breitet sich diese Strahlung in der Gaszelle unbeeinflusst weiter aus und kann auf ähnliche Weise verwendet werden, um andere Absorptionsbanden bei anderen Wellenlängen zu erfassen.
  • Durch die Verwendung eines Interferenzfilters anstelle eines dichroitischen Spiegels zum Teilen des Lichts in verschiedene Wellenlängenabschnitte kann die Notwendigkeit eines zusätzlichen Schmalbandfilters vor dem Detektor vermieden werden. Das Interferenzfilter kann sowohl die Funktion des Teilens des Lichts in Wellenlängenabschnitte als auch des Schmalbandfilterns übernehmen.
  • Daher können diese Messungen durch die Nutzung von Messungen bei unterschiedlichen Wellenlängen in der Ausgleichsberechnung verwendet werden. Beispielsweise kann spektrale Querempfindlichkeit für Wasserdampf bei 3,4 µm unter Verwendung der bei 2,7 µm gewonnenen Wasserabsorptionsinformationen eliminiert werden.
  • In Ausführungsformen ist die Lichtstrahlung mittlere Infrarot(IR)-Strahlung und kann das erste Interferenzfilter dazu konfiguriert sein, mittlere IR-Strahlung außerhalb des ersten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren.
  • Die Nutzung von Lichtstrahlung im mittleren IR-Bereich bietet mehrere Vorteile, wie etwa Größe und Kosten, wurde jedoch durch die hohe spektrale Querempfindlichkeit auf viele Substanzen belastet. Durch die Nutzung eines Gassensors mit Mehrfachdurchgang gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ein verbesserter Gassensor erzielt werden.
  • In Ausführungsformen kann der Mehrkanalgassensor ferner ein zweites Interferenzfilter aufweisen. Das zweite Interferenzfilter kann eingerichtet sein, durch Licht von der Lichtquelle, das in dem ersten Interferenzfilter reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden. Das zweite Interferenzfilter kann ferner dazu konfiguriert sein, den zweiten Wellenlängenabschnitt der mittleren IR-Strahlung zu übertragen und mittlere IR-Strahlung außerhalb des zweiten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die zweite Detektionseinheit kann eingerichtet sein, Licht von der Lichtquelle, das durch das zweite Interferenzfilter übertragen worden ist, zu erfassen.
  • In Ausführungsformen kann der Mehrkanalgassensor ferner eine dritte Detektionseinheit aufweisen, die eingerichtet ist, durch Licht von der Lichtquelle, das in dem zweiten Interferenzfilter reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden und wenigstens einen dritten Wellenlängenabschnitt des Lichts, das in dem zweiten Interferenzfilter reflektiert worden ist, zu erfassen.
  • In Ausführungsformen kann die erste Detektionseinheit eingerichtet sein, einen CO2-Peak bei 4,26 µm zu erfassen, kann die zweite Detektionseinheit eingerichtet sein, einen H2O-Peak bei 2,66 µm zu erfassen, und kann die dritte Detektionseinheit eingerichtet sein, einen Ethanol-Peak bei 3,41 µm zu erfassen. Eine Detektionseinheit kann eingerichtet sein, eine Wellenlänge zu erfassen, indem sie das entsprechende Interferenzfilter anpasst, um den entsprechenden Wellenlängenabschnitt an diese Detektionseinheit zu übertragen, indem sie ein Filter hat, das vor der Detektionseinheit angeordnet ist, und/oder indem sie einen Detektionsbereich hat, der für diese Wellenlänge geeignet ist. Dadurch kann der Mehrkanalgassensor dazu angepasst sein, Ethanol zu erfassen, und kann beispielsweise in Alkoholsperrenuntersuchungen und Screening-Vorführungen verwendet werden.
  • In Ausführungsformen kann der Mehrkanalgassensor eine Recheneinheit aufweisen, die mit einem Korrelationsalgorithmus angeordnet ist, um das zum Schätzen der Atemalkoholkonzentration und des Blutalkoholspiegels erforderliche Streuvermögen zu berechnen.
  • In Ausführungsformen kann die erste Detektionseinheit eingerichtet sein, einen CO2-Peak bei 4,26 µm zu erfassen, kann die zweite Detektionseinheit eingerichtet sein, einen H2O-Peak bei 2,66 µm zu erfassen, und kann die dritte Detektionseinheit eingerichtet sein, einen R32-Peak bei 3,37 µm zu erfassen. Eine Detektionseinheit kann eingerichtet sein, eine Wellenlänge zu erfassen, indem sie das entsprechende Interferenzfilter anpasst, den entsprechenden Wellenlängenabschnitt an diese Detektionseinheit zu übertragen, indem sie ein Filter hat, das vor der Detektionseinheit angeordnet ist, und/oder indem sie einen Detektionsbereich hat, der für diese Wellenlänge geeignet ist. Dadurch kann der Mehrkanalgassensor dazu angepasst sein, R32 und weitere Kohlenwasserstoffe zu erfassen, und kann beispielsweise in der Freon-Erfassung, Leckerkennungen und Ähnlichem verwendet werden.
  • In Ausführungsformen kann die erste Detektionseinheit eingerichtet sein, einen CxHy-Peak bei 3,45 µm zu erfassen, kann die zweite Detektionseinheit eingerichtet sein, einen H2O-Peak bei 2,66 µm zu erfassen, und kann die dritte Detektionseinheit eingerichtet sein, einen Methan-Peak bei 3,32 µm zu erfassen. Eine Detektionseinheit kann eingerichtet sein, eine Wellenlänge zu erfassen, indem sie das entsprechende Interferenzfilter anpasst, den entsprechenden Wellenlängenabschnitt an diese Detektionseinheit zu übertragen, indem sie ein Filter hat, das vor der Detektionseinheit angeordnet ist, und/oder indem sie einen Detektionsbereich hat, der für diese Wellenlänge geeignet ist. Dadurch kann der Mehrkanalgassensor dazu angepasst sein, Methan zu erfassen, und kann beispielsweise in der Methanüberwachung, Leckerkennung, Deponieemissionsüberwachung verwendet werden.
  • In Ausführungsformen kann die erste Detektionseinheit eingerichtet sein, einen CO2-Peak bei 4,26 µm) zu erfassen, kann die zweite Detektionseinheit eingerichtet sein, einen H2O-Peak bei 2,66 µm zu erfassen, und kann die dritte Detektionseinheit eingerichtet sein, einen Methan-Peak bei 3,32 µm zu erfassen. Eine Detektionseinheit kann eingerichtet sein, eine Wellenlänge zu erfassen, indem sie das entsprechende Interferenzfilter anpasst, den entsprechenden Wellenlängenabschnitt an diese Detektionseinheit zu übertragen, indem sie ein Filter hat, das vor der Detektionseinheit angeordnet ist, und/oder indem sie einen Detektionsbereich hat, der für diese Wellenlänge geeignet ist. Dadurch kann der Mehrkanalgassensor dazu angepasst sein, in als eine Treibhausgas-Umweltüberwachung verwendet zu werden und beispielsweise bei der städtischen Emissionsüberwachung und beim Kohlenstoffkreislauf-Mapping verwendet zu werden.
  • In Ausführungsformen kann die erste Detektionseinheit eingerichtet sein, einen CO2-Peak bei 4,26 µm zu erfassen, kann die zweite Detektionseinheit eingerichtet sein, einen H2O-Peak bei 2,66 µm zu erfassen, und kann die dritte Detektionseinheit eingerichtet sein, einen N2O-Peak bei 4,505 µm zu erfassen. Eine Detektionseinheit kann eingerichtet sein, eine Wellenlänge zu erfassen, indem sie das entsprechende Interferenzfilter anpasst, den entsprechenden Wellenlängenabschnitt an diese Detektionseinheit zu übertragen, indem sie ein Filter hat, das vor der Detektionseinheit angeordnet ist, und/oder indem sie einen Detektionsbereich hat, der für diese Wellenlänge geeignet ist. Dadurch kann der Mehrkanalgassensor dazu angepasst sein, Distickstoffmonoxid zu erfassen, und kann beispielsweise beim Überwachen von Treibhausgasemission in der Landwirtschaft und beim Überwachen von Krankenhausumgebungen verwendet werden.
  • In Ausführungsformen kann die erste Detektionseinheit eingerichtet sein, einen CO2-Peak bei 4,26 µm zu erfassen, kann die zweite Detektionseinheit eingerichtet sein, einen H2O-Peak bei 2,66 µm zu erfassen, und kann die dritte Detektionseinheit eingerichtet sein, einen CO-Peak bei 4,695 µm zu erfassen. Eine Detektionseinheit kann eingerichtet sein, eine Wellenlänge zu erfassen, indem sie das entsprechende Interferenzfilter anpasst, den entsprechenden Wellenlängenabschnitt an diese Detektionseinheit zu übertragen, indem sie ein Filter hat, das vor der Detektionseinheit angeordnet ist, und/oder indem sie einen Detektionsbereich hat, der für diese Wellenlänge geeignet ist. Dadurch kann der Mehrkanalgassensor dazu angepasst sein, Kohlenmonoxid zu erfassen, und kann beispielsweise zur Alarmierung und Überwachung in Innenräumen, wie etwa Garagen, verwendet werden.
  • In Ausführungsformen kann die Detektion eines Wellenlängen-Peaks in einem Detektionsbereich durchgeführt werden, der den Wellenlängen-Peak umgibt. Der Detektionsbereich kann auf dem Wellenlängen-Peak zentriert sein oder der Detektionsbereich kann den Wellenlängen-Peak aufweisen. Die Breite des Detektionsbereichs kann beispielsweise 0,1 %, 0,2 %, 0,3 %, 0,4 %, 0,5 %, 0,6 %, 0,7 %, 0,8 %, 0,9 %, 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 %, 6 %, 7 %, 8 %, 9 % oder 10 % des Wellenlängen-Peaks betragen. Die Breite des Detektionsbereichs kann durch die Halbwertsbreite (Full Width at Half Maximum - FWHM) definiert sein.
  • In Ausführungsformen kann die Detektionseinheit einen Photodiodendetektor aufweisen. Der Photodiodendetektor kann eingestellt sein, in einem betreffenden Wellenlängenbereich empfindlicher zu sein als in einem nicht betreffenden Wellenlängenbereich.
  • In Ausführungsformen kann die zweite Detektionseinheit derart angeordnet sein, dass sich der zweite Wellenlängenabschnitt, der in dem ersten Interferenzfilter reflektiert wird, durch die Gaszelle ausbreitet, bevor er die zweite Detektionseinheit beleuchtet.
  • Dadurch kann ein Mehrkanalgassensor zum Messen bei unterschiedlichen Wellenlängen bereitgestellt werden. Beispielsweise können verschiedene gasspezifische spektrale Wellenlängen mit verschiedenen Ausbreitungswegen aus der Gaszelle hinausgeleitet werden, getrennt an gut definierten Zwischenbildpunkten, die auf bestimmten Punkten der Gaszelle ausgebildet sind. Der Punkt der Gaszelle, an dem das ausgewählte Bild ausgebildet ist, kann ein optisches Interferenzfilter angeordnet sein. Das Interferenzfilter überträgt das mit der molekularen Absorption verbundene Wellenlängenband für eines oder mehrere der Zielgase an eine Detektionseinheit, während die Außerbandstrahlung reflektiert wird, und somit breitet sich diese Strahlung in der Gaszelle unbeeinflusst weiter aus und kann auf ähnliche Weise verwendet werden, um andere Absorptionsbanden bei anderen Wellenlängen zu erfassen. Durch Bereitstellen selektiver Reflexionen kann der Mehrkanalgassensor verschiedene Absorptionswege mit verschiedenen Längen für verschiedene spektrale Wellenlängen bereitstellen.
  • In Ausführungsformen kann der Mehrkanalgassensor ferner eine erste Reflexionsoberfläche aufweisen, die eingerichtet ist, IR-Strahlung, die zuvor an dem ersten Interferenzfilter reflektiert wurde, in Richtung des zweiten Interferenzfilters zu reflektieren.
  • In Ausführungsformen kann die dritte Detektionseinheit derart angeordnet sein, dass der dritte Wellenlängenabschnitt nach dem Ausbreiten durch die Gaszelle nach dem Reflektieren an dem zweiten Interferenzfilter erfasst wird.
  • In Ausführungsformen kann der Mehrkanalgassensor ferner eine zweite Reflexionsoberfläche aufweisen, die eingerichtet ist, IR-Strahlung, die zuvor an dem zweiten Interferenzfilter reflektiert wurde, in Richtung des dritten Interferenzfilters zu reflektieren.
  • In Ausführungsformen können die erste Reflexionsoberfläche und/oder die zweite Reflexionsoberfläche gekrümmt sein, wodurch sie als Kollimationsreflektoren wirken, um die von der optischen Achse emittierte und/oder seitwärts reflektierte Strahlung einzufangen.
  • In Ausführungsformen kann der Mehrkanalgassensor ferner ein drittes Interferenzfilter aufweisen, das eingerichtet sein, durch Licht von der Lichtquelle, das in dem zweiten Interferenzfilter reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden. Das dritte Interferenzfilter kann ferner dazu konfiguriert sein, den dritten Wellenlängenabschnitt der Lichtstrahlung an die dritte Detektionseinheit zu übertragen und Lichtstrahlung außerhalb des dritten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die dritte Detektionseinheit kann ferner eingerichtet sein, Licht von der Lichtquelle, das durch das dritte Interferenzfilter übertragen worden ist, zu erfassen.
  • In Ausführungsformen können die Interferenzfilter Bandpassfilter sein. Dadurch, dass die Interferenzfilter Bandpassfilter sind, wird die Notwendigkeit für einen zusätzlichen Schmalbandfilter vor den Detektionseinheiten vermieden.
  • Die Wellenlängenabschnitte können ausgewählt sein, entweder eine Wellenlänge von 2,7 µm, 3,4 µm oder 4,25 µm aufzuweisen.
  • In Ausführungsformen können die Interferenzfilter Bandpassfilter sein und der erste Wellenlängenabschnitt ist ausgewählt, 3,4 µm aufzuweisen, der zweite Wellenlängenabschnitt ist ausgewählt, 2,7 µm aufzuweisen, und der dritte Wellenlängenabschnitt ist ausgewählt, 4,25 µm aufzuweisen.
  • In Ausführungsformen kann die Lichtquelle einen schwarzen Strahler und ein Filter, das eingerichtet ist, mittlere IR-Strahlung zu übertragen, aufweisen, wobei das Filter zwischen dem schwarzen Strahler und der Gaszelle angeordnet ist.
  • In Ausführungsformen kann die Lichtquelle eine Quanten-Photodiode sein. Die Quanten-Photodiode kann beispielsweise auf einer Kombination aus Aluminium, Indium und Antimon basieren.
  • In Ausführungsformen kann die Lichtquelle eine Zweistiftlampe sein. Die Lampe kann miniaturisiert oder eine Subminiatur sein.
  • In Ausführungsformen kann der schwarze Strahler eine Glühlampe sein.
  • In Ausführungsformen kann die mittlere IR-Strahlung IR-Strahlung mit einer Wellenlänge unter 4 µm sein.
  • In Ausführungsformen kann die mittlere IR-Strahlung IR-Strahlung mit einer Wellenlänge unter 5 µm sein.
  • In Ausführungsformen kann die mittlere IR-Strahlung IR-Strahlung mit einer Wellenlänge unter 6 µm sein.
  • In Ausführungsformen kann die Lichtquelle ein optisches Element aufweisen, das eingerichtet ist, von der Lichtquelle emittierte Strahlung zu formen. Das optische Element kann eine für die emittierte Strahlung geeignete Zusammensetzung haben. Das optische Element kann beispielsweise eine Linse, ein Spiegel und/oder eine geformte Spitze der Strahlungsquelle sein. Ein Beispiel einer Spitze kann eine Spitze der Substanz sein, die wenigstens teilweise eine Strahlung emittierende Diode umgibt, eine derartige Spitze kann geformt sein, um die Strahlung zu leiten.
  • In Ausführungsformen kann die Gaszelle aus vermischtem Kunststoff hergestellt sein.
  • In Ausführungsformen kann die Gaszelle mehrere Teile aufweisen, die unter Verwendung von Schweißen angebracht sind.
  • In Ausführungsformen kann die Gaszelle mehrere Teile aufweisen, die unter Verwendung eines Klebstoffs angebracht sind.
  • In Ausführungsformen kann der Mehrkanalgassensor ein nichtdispersiver Infrarotsensor (NDIR) sein. Die Gaszelle ist eine Zelle mit Mehrfachdurchgang. Dadurch kann die Weglänge innerhalb der Zelle vergrößert sein. Beispielsweise kann die Gaszelle als eine White-Zelle konfiguriert sein. Die White-Zelle kann mit drei kugelförmigen, konkaven Spiegeln mit dem gleichen Krümmungsradius angeordnet sein. Durch Drehen der drei Spiegel können die Anzahl der Reflexionen in der Zelle und dadurch die Weglänge und der Absorptionsweg geregelt werden.
  • In Ausführungsformen kann die Ausbreitung der mittleren IR-Strahlung von der Lichtquelle durch die Zelle zu der ersten Detektionseinheit über das erste Interferenzfilter einen ersten Absorptionsweg ausbilden. Ferner kann die Ausbreitung der mittleren IR-Strahlung von der Lichtquelle durch die Zelle zu der zweiten Detektionseinheit über das erste Interferenzfilter, die erste Reflexionsoberfläche und das zweite Interferenzfilter einen zweiten Absorptionsweg ausbilden. Ferner kann die Ausbreitung der mittleren IR-Strahlung von der Lichtquelle durch die Zelle zu der dritten Detektionseinheit über das erste Interferenzfilter, die erste Reflexionsoberfläche, das zweite Interferenzfilter, die zweite Reflexionsoberfläche und das dritte Interferenzfilter einen dritten Absorptionsweg ausbilden.
  • Zum Durchführen von Messungen bei unterschiedlichen Wellenlängenbändern wurde erkannt, dass die Messungen ferner verbessert werden können, indem verschiedene Längen der Absorptionswege für die entsprechenden Messungen zugelassen werden. Dadurch kann eine höhere Qualität des gemessenen Signals erzielt werden.
  • In Ausführungsformen kann die erste Absorptionsweglänge 25 cm betragen, kann die zweite Absorptionsweglänge 37 cm betragen und kann die dritte Absorptionsweglänge 49 cm betragen. Die Absorptionsweglänge ist die Weglänge für das Licht in der Gaszelle.
  • In Ausführungsformen kann die erste optische Weglänge in der Gaszelle 25 cm betragen, kann die zweite optische Weglänge in der Gaszelle 37 cm betragen und kann die optische Weglänge in der Gaszelle 49 cm betragen. Die optische Weglänge in der Gaslänge entspricht der Absorptionsweglänge. Es ist möglich, dass der Mehrkanalgassensor auch optische Weglängen außerhalb der Gaszelle aufweist, d. h., dass sich das Licht außerhalb der Gaszelle bewegt, bevor es auf die Detektionseinheit trifft. Derartige optische Weglängen außerhalb der Gaszelle haben keine Auswirkungen auf die Messungen mit dem Mehrkanalgassensor.
  • In Ausführungsformen kann die Gaszelle zusätzliche reflektierende Oberflächen aufweisen, um die optische Weglänge zwischen den unterschiedlichen Detektionseinheiten zu vergrößern.
  • In Ausführungsformen können die Interferenzfilter entlang einer ersten Seite der Gaszelle angeordnet sein und können die Reflexionsoberflächen entlang einer zweiten Seite der Gaszelle angeordnet sein.
  • In Ausführungsformen kann die Gaszelle ferner einen Gaseinlass aufweisen. Der Gaseinlass kann beispielsweise verwendet werden, um die Gaszelle mit einem Gas oder einer Gaszusammensetzung zur Messung zu füllen. Bei dem Gaseinlass kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere Löcher handeln. Der Gaseinlass kann ein Filter, wie etwa ein Partikelfilter, aufweisen. Das Filter kann eine Zusammensetzung zum Bereitstellen eines begrenzten Strömungswiderstands haben.
  • In Ausführungsformen kann der Gaseinlass ein Diffusionseinlass sein.
  • In Ausführungsformen kann die Gaszelle ferner ein Gebläse, eine Pumpe oder ähnliche Strömung bereitstellende Anordnungen aufweisen. Die Strömung bereitstellende Anordnung kann an einem Einlass und/oder einem Auslass der Gaszelle angeordnet sein.
  • In Ausführungsformen kann die Gaszelle ferner einen Gasauslass oder ein Austrittsloch aufweisen. Der Gasauslass kann beispielsweise verwendet werden, um die Gaszelle von einem Gas oder einer Gaszusammensetzung zu leeren. Das Austrittsloch kann auch verwendet werden, um den Druck der Gaszelle zu regeln. Bei dem Gasauslass kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere Löcher handeln. Der Gasauslass kann ferner ein Ventil aufweisen.
  • In Ausführungsformen kann der Gasauslass ein Diffusionsauslass sein.
  • In Ausführungsformen kann der Mehrkanalgassensor eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS), wie etwa einen Knopf oder einen Schalter, aufweisen, der eingerichtet ist, den Mehrkanalgassensor von einem ersten Modus in einen zweiten Modus und/oder von einem zweiten Modus in einen ersten Modus zu schalten. Der erste Modus kann abgeschaltet oder ausgeschaltet sein. Der zweite Modus kann betriebsbereit oder eingeschaltet sein.
  • In Ausführungsformen kann der Mehrkanalgassensor eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS), wie etwa eine Leuchtdiode (LED), aufweisen, die eingerichtet ist, einem Benutzer Statusinformationen zur Verfügung zu stellen.
  • In Ausführungsformen kann die MMS wenigstens eine mehrfarbige LED aufweisen, wobei die wenigstens eine mehrfarbige LED ein Ergebnis von dem Mehrkanalgassensor anzeigen kann. Beispielsweise kann eine mehrfarbige LED eine Messung weit unter einer Sollwertgrenze durch eine erste Farbe, wie etwa Grün, nahe einer Sollgrenze durch eine zweite Farbe, wie etwa Gelb, und über einer Sollgrenze durch eine dritte Farbe, wie etwa Rot, anzeigen. Eine Messung nahe einer Sollgrenze oder eine unbestätigte Messung kann eine zweite Messung erfordern, dies kann beispielsweise durch eine vierte Farbe oder durch eine blinkende LED angezeigt werden.
  • In Ausführungsformen kann der Mehrkanalgassensor eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS), wie etwa einen Knopf oder einen Schalter, aufweisen, der eingerichtet ist, den Mehrkanalgassensor von einem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus und/oder von einem zweiten Betriebsmodus in einen ersten Betriebsmodus zu schalten. Der erste Betriebsmodus kann ein Modus eines schnellen Screenings sein. Der zweite Betriebsmodus kann ein Modus einer genauen Messung sein.
  • In Ausführungsformen kann der Mehrkanalgassensor eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS), wie etwa einen Knopf oder einen Schalter, aufweisen, der eingerichtet sein kann, den Mehrkanalgassensor zwischen mehreren Betriebsmodi umzuschalten, wie etwa beispielsweise Einzelatemzugmessung, halbkontinuierliche Atem-für-Atem-Messung, kontinuierliche Schnüffelmessung, variable/dynamische Messung und parallele Integrationszeit einer Schätzung der Atemalkoholkonzentration.
  • In Ausführungsformen kann der Mehrkanalgassensor eine temperaturregulierende Anordnung aufweisen. Beispielsweise ein Heizelement und/oder ein Kühlelement. Die temperaturregulierende Anordnung kann in Funktionsverbindung mit dem Inneren der Gaszelle oder in Funktionsverbindung mit einem Eintrittspunkt, wie etwa einem Gaseinlass, bereitgestellt sein. Durch die Nutzung einer temperaturregulierenden Anordnung kann eine thermisch stabilisierte Gaszelle bereitgestellt werden, wodurch die Genauigkeit, Auflösung und Langzeitstabilität des Mehrkanalgassensors verbessert werden.
  • In Ausführungsformen kann die temperaturregulierende Anordnung einen Vorwärmer aufweisen, der eingerichtet ist, die Temperatur des Gases vor dem Eintreten in die Gaszelle zu erhöhen.
  • In Ausführungsformen kann die temperaturregulierende Anordnung in einer Pumpe, einem Gebläse oder einer anderen Strömung bereitstellenden Anordnung enthalten sein.
  • Indem der Mehrkanalgassensor eine empfindliche Messung durchführt, die durch eine Strömung bereitstellende Anordnung unterstützt werden kann, kann er für getrennte Messungen, beispielsweise von Ausatmungen, verwendet werden, wodurch eine vereinfachte und hygienische Lösung aufgrund des verringerten Bedarfs an einem Mundstück bereitgestellt wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird in der folgenden veranschaulichenden und nicht einschränkenden, ausführlichen Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, hierbei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Mehrkanalgassensors nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
    • 2 eine schematische Darstellung eines Mehrkanalgassensors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 3 eine schematische Darstellung eines Mehrkanalgassensors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4 eine schematische Darstellung eines Mehrkanalgassensors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 5 eine schematische Darstellung eines Mehrkanalgassensors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 6a eine schematische Darstellung eines Mehrkanalgassensors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 6b eine schematische Darstellung eines Strahlengangs in einem Mehrkanalgassensor nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Alle Figuren sind schematisch, nicht unbedingt maßstabsgetreu und zeigen im Allgemeinen lediglich Teile, die notwendig sind, um die Erfindung zu erläutern, wobei andere Teile ausgespart oder lediglich angedeutet sein können. Bei den gesamten Figuren kennzeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen oder im Wesentlichen die gleichen Merkmale.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Erfindung, die die Probleme nach dem Stand der Technik beseitigt oder zumindest abschwächt und eine verbesserte Funktionalität in einer effizienteren Ausführung hat, die Zuverlässigkeitsvorteile bereitstellt, kann zum Messen von Gas verwendet werden.
  • Die Erfindung wird in der folgenden veranschaulichenden und nicht einschränkenden, ausführlichen Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, hierbei zeigen:
    • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Mehrkanalgassensors 100 mit einer Lichtquelle 110, einem ersten Interferenzfilter 150, einer ersten Detektionseinheit 120 und einer zweiten Detektionseinheit 130. Die Lichtquelle 110, das erste Interferenzfilter 150, die erste Detektionseinheit 120 und die zweite Detektionseinheit 130 sind als wenigstens teilweise in einer Gaszelle 101 enthalten dargestellt. Die Einbeziehung in die Gaszelle kann physisch oder funktionell sein. Funktional bedeutet, dass die Objekte außerhalb der Gaszelle 101 angeordnet sein können, jedoch kann in der funktionalen Kommunikation beispielsweise ein Fenster in der Gaszelle 101 vorhanden sein, das Strahlung an eine Detektionseinheit überträgt, diese Detektionseinheit kann dann als in der Gaszelle 101 funktional enthalten betrachtet werden. Die Gaszelle 101 ist eingerichtet, ein Gas zu führen. Die Lichtquelle 110 ist eingerichtet, Lichtstrahlung 111 in die Gaszelle zu emittieren. Das erste Interferenzfilter 150 ist eingerichtet, durch von der Lichtquelle 110 emittiertes Licht 111 beleuchtet zu werden, das sich durch wenigstens einen Teil der Gaszelle 101 ausgebreitet hat, und ist dazu konfiguriert, Lichtstrahlung 112 mit einem ersten Wellenlängenabschnitt der Lichtstrahlung zu übertragen und Lichtstrahlung 113 außerhalb des ersten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die erste Detektionseinheit 120 ist eingerichtet, Licht von der Lichtquelle 110, das durch das erste Interferenzfilter 150 übertragen wurde, zu erfassen. Die zweite Detektionseinheit 130 ist eingerichtet, durch Licht 113 von der Lichtquelle, das in dem ersten Interferenzfilter reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden und wenigstens einen zweiten Wellenlängenabschnitt des Lichts 113, das in dem ersten Interferenzfilter 150 reflektiert worden ist, zu erfassen.
  • Die Reflexionsoberflächen, Interferenzfilter und Strahlrichtungen, die in der schematischen Darstellung offenbart werden, sind nicht notwendigerweise in die richtige Richtung gedreht, die veranschaulichten Objekte dienen Erklärungszwecken und der gezeigte Reflexionswinkel kann sich von dem Reflexionswinkel, der sich aus derart ausgerichteten Objekten ergibt, unterscheiden.
  • Durch die Nutzung von Messungen bei unterschiedlichen Wellenlängen können diese Messungen in der Ausgleichsberechnung verwendet werden. Beispielsweise kann spektrale Querempfindlichkeit für Wasserdampf bei 3,4 µm unter Verwendung der bei 2,7 µm gewonnenen Wasserabsorptionsinformationen eliminiert werden.
  • Die von der Lichtquelle 110 emittierte Lichtstrahlung kann mittlere Infrarot(IR)-Strahlung sein. Die Lichtstrahlung kann auch als Licht oder Strahlung bezeichnet werden. Daher kann die mittlere IR-Strahlung als mittleres IR-Licht oder mittlere IR-Lichtstrahlung bezeichnet werden. Das erste Interferenzfilter 150 kann konfiguriert sein, mittlere IR-Strahlung außerhalb des ersten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren.
  • Die Lichtquelle 110 kann einen schwarzen Strahler und ein Filter, das zum Übertragen von mittlerer IR-Strahlung angeordnet ist, aufweisen, wobei das Filter zwischen dem schwarzen Strahler und der Innenseite der Gaszelle angeordnet ist. Der schwarze Strahler kann beispielsweise eine Glühlampe oder eine Diode sein. Die mittlere IR-Strahlung kann IR-Strahlung mit einer Wellenlänge unter 5 µm sein.
  • Die Lichtquelle 110 kann ein optisches Element aufweisen, das angeordnet ist, von der Lichtquelle 110 emittierte Strahlung zu formen. Das optische Element kann eine für die emittierte Strahlung geeignete Zusammensetzung haben. Das optische Element kann beispielsweise eine Linse, ein Spiegel und/oder eine geformte Spitze der Strahlungsquelle sein. Ein Beispiel einer Spitze kann eine Spitze der Substanz sein, die wenigstens teilweise eine Strahlung emittierende Diode umgibt, eine derartige Spitze kann geformt sein, um die Strahlung zu leiten.
  • Die Detektionseinheiten können eingerichtet sein, einen bestimmten Wellenlängenbereich zu erfassen, indem sie das entsprechende Interferenzfilter anpassen, den entsprechenden Wellenlängenabschnitt an diese Detektionseinheit zu übertragen, indem sie ein zusätzliches Filter haben, das vor der Detektionseinheit angeordnet ist, und/oder indem sie einen Detektionsbereich eines Sensors haben, der für diese Wellenlänge geeignet ist.
  • Die Detektion eines Wellenlängen-Peaks kann in einem Detektionsbereich durchgeführt werden, der den Wellenlängen-Peak umgibt. Der Detektionsbereich kann auf dem Wellenlängen-Peak zentriert sein oder der Detektionsbereich kann den Wellenlängen-Peak aufweisen.
  • Die zweite Detektionseinheit 130 kann derart angeordnet sein, dass sich der zweite Wellenlängenabschnitt, der in dem ersten Interferenzfilter 150 reflektiert wird, durch die Gaszelle 101 ausbreitet, bevor er die zweite Detektionseinheit 130 beleuchtet.
  • Die Gaszelle 101 kann aus vermischtem Kunststoff hergestellt sein, kann mehrere Teile aufweisen, die unter Verwendung von Schweißen oder Klebstoff angebracht sind.
  • Die Gaszelle 101 kann ferner einen Gaseinlass aufweisen. Der Gaseinlass kann beispielsweise verwendet werden, um die Gaszelle mit einem Gas oder einer Gaszusammensetzung zur Messung zu füllen. Bei dem Gaseinlass kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere Löcher handeln. Der Gaseinlass kann ein Filter, wie etwa ein Partikelfilter, aufweisen. Das Filter kann eine Zusammensetzung zum Bereitstellen eines begrenzten Strömungswiderstands haben. Der Gaseinlass kann auch ein Diffusionseinlass sein.
  • Die Gaszelle 101 kann ferner ein Gebläse, eine Pumpe oder ähnliche Strömung bereitstellende Anordnungen aufweisen. Die Strömung bereitstellende Anordnung kann an einem Einlass und/oder einem Auslass der Gaszelle angeordnet sein.
  • Die Gaszelle 101 kann ferner einen Gasauslass oder ein Austrittsloch aufweisen. Der Gasauslass kann beispielsweise verwendet werden, um die Gaszelle von einem Gas oder einer Gaszusammensetzung zu leeren. Das Austrittsloch kann auch verwendet werden, um den Druck der Gaszelle zu regeln. Bei dem Gasauslass kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere Löcher handeln. Der Gasauslass kann ferner ein Ventil aufweisen. Der Gasauslass kann auch ein Diffusionsauslass sein.
  • Der Mehrkanalgassensor 100 kann auch eine temperaturregulierende Anordnung aufweisen. Beispielsweise ein Heizelement und/oder ein Kühlelement. Die temperaturregulierende Anordnung kann in Funktionsverbindung mit dem Inneren der Gaszelle 101 oder in Funktionsverbindung mit einem Eintrittspunkt, wie etwa einem Gaseinlass, bereitgestellt sein. Durch die Nutzung einer temperaturregulierenden Anordnung kann eine thermisch stabilisierte Gaszelle 101 bereitgestellt werden, wodurch die Genauigkeit, Auflösung und Langzeitstabilität des Mehrkanalgassensors 100 verbessert werden. Die temperaturregulierende Anordnung kann einen Vorwärmer aufweisen, der eingerichtet ist, die Temperatur des Gases vor dem Eintreten in die Gaszelle zu erhöhen. Die temperaturregulierende Anordnung kann in einer Pumpe, einem Gebläse oder einer anderen Strömung bereitstellenden Anordnung enthalten sein.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Mehrkanalgassensors 200 mit einer Lichtquelle 210, einem ersten Interferenzfilter 250, einem zweiten Interferenzfilter 260, einer ersten Detektionseinheit 220 und einer zweiten Detektionseinheit 230. Die Lichtquelle 210, das erste Interferenzfilter 250, die erste Detektionseinheit 220 und die zweite Detektionseinheit 230 sind wenigstens teilweise in einer Gaszelle enthalten. Die Gaszelle ist eingerichtet, ein Gas zu führen. Die Lichtquelle 210 ist eingerichtet, Lichtstrahlung 211 in die Gaszelle zu emittieren. Das erste Interferenzfilter 250 ist eingerichtet, durch von der Lichtquelle 210 emittiertes Licht 211 beleuchtet zu werden, das sich durch wenigstens einen Teil der Gaszelle ausgebreitet hat, und ist dazu konfiguriert, eine Lichtstrahlung 212 mit einem ersten Wellenlängenabschnitt der Lichtstrahlung zu übertragen und Lichtstrahlung 213 außerhalb des ersten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die erste Detektionseinheit 220 ist eingerichtet, Licht von der Lichtquelle 210, das durch das erste Interferenzfilter 250 übertragen wurde, zu erfassen. Die zweite Detektionseinheit 230 ist eingerichtet, durch Licht 213 von der Lichtquelle, das in dem ersten Interferenzfilter reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden und wenigstens einen zweiten Wellenlängenabschnitt des Lichts 213, das in dem ersten Interferenzfilter 250 reflektiert worden ist, zu erfassen. Das zweite Interferenzfilter 260 ist eingerichtet, durch Licht 213 von der Lichtquelle 210, das in dem ersten Interferenzfilter 250 reflektiert worden ist und sich nach dem Reflektieren in dem ersten Interferenzfilter 250 durch die Gaszelle 101 ausgebreitet hat, beleuchtet zu werden. Das zweite Interferenzfilter 260 ist ferner dazu konfiguriert, Lichtstrahlung 214 des zweiten Wellenlängenabschnitts der mittleren IR-Strahlung zu übertragen und mittlere IR-Strahlung 215 außerhalb des zweiten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die zweite Detektionseinheit 230 ist eingerichtet, Licht 214 von der Lichtquelle, das durch das zweite Interferenzfilter 260 übertragen worden ist, zu erfassen.
  • Der Mehrkanalgassensor 200 kann einen Absorptionsabschnitt oder einen Austritt haben, der eingerichtet ist, zu ermöglichen, dass die nicht erfasste Strahlung absorbiert wird oder aus der Gaszelle austritt.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Mehrkanalgassensors 300 mit einer Lichtquelle 310, einem ersten Interferenzfilter 350, einem zweiten Interferenzfilter 360, einer ersten Detektionseinheit 320, einer zweiten Detektionseinheit 330 und einer dritten Detektionseinheit 340. Die Lichtquelle 310, das erste Interferenzfilter 350, die erste Detektionseinheit 320 und die zweite Detektionseinheit 330 sind wenigstens teilweise in einer Gaszelle enthalten. Die Gaszelle ist eingerichtet, ein Gas zu führen. Die Lichtquelle 310 ist eingerichtet, Lichtstrahlung 311 in die Gaszelle zu emittieren. Das erste Interferenzfilter 350 ist eingerichtet, durch von der Lichtquelle 310 emittiertes Licht 311 beleuchtet zu werden, das sich durch wenigstens einen Teil der Gaszelle ausgebreitet hat, und ist dazu konfiguriert, eine Lichtstrahlung 312 mit einem ersten Wellenlängenabschnitt der Lichtstrahlung zu übertragen und Lichtstrahlung 313 außerhalb des ersten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die erste Detektionseinheit 320 ist eingerichtet, Licht von der Lichtquelle 310, das durch das erste Interferenzfilter 350 übertragen wurde, zu erfassen. Die zweite Detektionseinheit 330 ist eingerichtet, durch Licht 313 von der Lichtquelle, das in dem ersten Interferenzfilter 350 reflektiert worden ist und sich nach dem Reflektieren in dem ersten Interferenzfilter 350 in der Gaszelle 101 ausgebreitet hat, beleuchtet zu werden und wenigstens einen zweiten Wellenlängenabschnitt des Lichts 313, das in dem ersten Interferenzfilter 350 reflektiert worden ist, zu erfassen. Das zweite Interferenzfilter 360 ist eingerichtet, durch Licht 313 von der Lichtquelle 310, das in dem ersten Interferenzfilter 350 reflektiert worden ist und sich nach dem Reflektieren in dem ersten Interferenzfilter 350 in der Gaszelle 101 ausgebreitet hat, beleuchtet zu werden. Das zweite Interferenzfilter 360 ist ferner dazu konfiguriert, Lichtstrahlung 314 des zweiten Wellenlängenabschnitts der mittleren IR-Strahlung zu übertragen und mittlere IR-Strahlung 315 außerhalb des zweiten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die zweite Detektionseinheit 330 ist eingerichtet, Licht 314 von der Lichtquelle, das durch das zweite Interferenzfilter 360 übertragen worden ist, zu erfassen. Die dritte Detektionseinheit 340 ist eingerichtet, durch Licht 315 von der Lichtquelle 310, das in dem zweiten Interferenzfilter 360 reflektiert worden ist und sich nach dem Reflektieren in dem zweiten Interferenzfilter 360 vorzugsweise in der Gaszelle 101 ausgebreitet hat, beleuchtet zu werden und wenigstens einen dritten Wellenlängenabschnitt des Lichts 315, das in dem zweiten Interferenzfilter 360 reflektiert worden ist, zu erfassen. Somit hat das Licht, das die zweite Detektionseinheit beleuchtet, einen längeren Ausbreitungsweg in der Gaszelle als das Licht, das die erste Detektion beleuchtet. Dementsprechend hat das Licht, das die dritte Detektionseinheit beleuchtet, vorzugsweise einen längeren Ausbreitungsweg in der Gaszelle als das Licht, das die zweite Detektion beleuchtet.
  • Die Interferenzfilter können Bandpassfilter sein und der Wellenlängenabschnitt kann ausgewählt sein, entweder eine Wellenlänge von 2,7 µm, 3,4 µm oder 4,25 µm aufzuweisen. Die Interferenzfilter können auch Bandpassfilter sein und der erste Wellenlängenabschnitt kann ausgewählt sein, 3,4 µm aufzuweisen, der zweite Wellenlängenabschnitt kann ausgewählt sein, 2,7 µm aufzuweisen, und der dritte Wellenlängenabschnitt kann ausgewählt sein, 4,25 µm aufzuweisen.
  • Beispielsweise kann die erste Detektionseinheit 320 eingerichtet sein, einen CO2-Peak bei 4,26 µm zu erfassen, kann die zweite Detektionseinheit 330 eingerichtet sein, einen H2O-Peak bei 2,66 µm zu erfassen, und kann die dritte Detektionseinheit 430 eingerichtet sein, einen Ethanol-Peak bei 3,41 µm zu erfassen.
  • Beispielsweise kann die erste Detektionseinheit 320 eingerichtet sein, einen CO2-Peak bei 4,26 µm zu erfassen, kann die zweite Detektionseinheit 330 eingerichtet sein, einen H2O-Peak bei 2,66 µm zu erfassen, und kann die dritte Detektionseinheit 430 eingerichtet sein, einen R32-Peak bei 3,37 µm zu erfassen.
  • Beispielsweise kann die erste Detektionseinheit 320 eingerichtet sein, einen CxHy-Peak bei 3,45 µm zu erfassen, kann die zweite Detektionseinheit 330 eingerichtet sein, einen H2O-Peak bei 2,66 µm zu erfassen, und kann die dritte Detektionseinheit 430 eingerichtet sein, einen Methan-Peak bei 3,32 µm zu erfassen.
  • Beispielsweise kann die erste Detektionseinheit 320 eingerichtet sein, einen CO2-Peak bei 4,26 µm zu erfassen, kann die zweite Detektionseinheit 330 eingerichtet sein, einen H2O-Peak bei 2,66 µm zu erfassen, und kann die dritte Detektionseinheit 430 eingerichtet sein, einen Methan-Peak bei 3,32 µm zu erfassen.
  • Beispielsweise kann die erste Detektionseinheit 320 eingerichtet sein, einen CO2-Peak bei 4,26 µm zu erfassen, kann die zweite Detektionseinheit 330 eingerichtet sein, einen H2O-Peak bei 2,66 µm) zu erfassen, und kann die dritte Detektionseinheit 430 eingerichtet sein, einen N2O-Peak bei 4,505 µm zu erfassen.
  • Beispielsweise kann die erste Detektionseinheit 320 eingerichtet sein, einen CO2-Peak bei 4,26 µm zu erfassen, kann die zweite Detektionseinheit 330 eingerichtet sein, einen H2O-Peak bei 2,66 µm zu erfassen, und kann die dritte Detektionseinheit 430 eingerichtet sein, einen CO-Peak bei 4,695 µm zu erfassen.
  • Die Detektionseinheiten können einen Photodiodendetektor aufweisen. Der Photodiodendetektor kann eingestellt sein, in einem betreffenden Wellenlängenbereich empfindlicher zu sein als in einem nicht betreffenden Wellenlängenbereich.
  • Die Detektionseinheiten können auch eingerichtet sein, einen bestimmten Wellenlängenbereich zu erfassen, indem das entsprechende Interferenzfilter angepasst wird, den entsprechenden Wellenlängenabschnitt an diese Detektionseinheit zu übertragen, indem sie ein zusätzliches Filter haben, das vor der Detektionseinheit angeordnet ist, und/oder indem sie einen Detektionsbereich eines Sensors haben, der für diese Wellenlänge geeignet ist.
  • Die Detektion eines Wellenlängen-Peaks kann in einem Detektionsbereich durchgeführt werden, der den Wellenlängen-Peak umgibt. Der Detektionsbereich kann auf dem Wellenlängen-Peak zentriert sein oder der Detektionsbereich kann den Wellenlängen-Peak aufweisen.
  • Die dritte Detektionseinheit 340 ist derart angeordnet, dass der dritte Wellenlängenabschnitt nach dem Ausbreiten durch die Gaszelle nach dem Reflektieren an dem zweiten Interferenzfilter 360 erfasst wird.
  • Der Mehrkanalgassensor 300 kann einen Absorptionsabschnitt oder einen Austritt haben, der eingerichtet ist, zu ermöglichen, dass die nicht erfasste Strahlung absorbiert wird oder aus der Gaszelle austritt.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Mehrkanalgassensors 400 mit einer Lichtquelle 410, einem ersten Interferenzfilter 450, einem zweiten Interferenzfilter 460, einer ersten Detektionseinheit 420, einer zweiten Detektionseinheit 430, einer dritten Detektionseinheit 440, einer ersten Reflexionsoberfläche 480 und einer zweiten Reflexionsoberfläche 490. Die Lichtquelle 410, das erste Interferenzfilter 450, die erste Detektionseinheit 420 und die zweite Detektionseinheit 430 sind wenigstens teilweise in einer Gaszelle enthalten. Die Gaszelle ist eingerichtet, ein Gas zu führen. Die Lichtquelle 410 ist eingerichtet, Lichtstrahlung 411 in die Gaszelle zu emittieren. Das erste Interferenzfilter 450 ist eingerichtet, durch von der Lichtquelle 410 emittiertes Licht 411 beleuchtet zu werden, das sich durch wenigstens einen Teil der Gaszelle ausgebreitet hat, und ist dazu konfiguriert, eine Lichtstrahlung 412 mit einem ersten Wellenlängenabschnitt der Lichtstrahlung zu übertragen und Lichtstrahlung 413 außerhalb des ersten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die erste Detektionseinheit 420 ist eingerichtet, Licht von der Lichtquelle 410, das durch das erste Interferenzfilter 450 übertragen wurde, zu erfassen. Die zweite Detektionseinheit 430 ist eingerichtet, durch Licht 414 von der Lichtquelle, das in dem ersten Interferenzfilter und der ersten reflektierenden Oberfläche 480 reflektiert worden ist und sich nach dem Reflektieren in dem ersten Interferenzfilter 450 in der Gaszelle 101 ausgebreitet hat, beleuchtet zu werden und wenigstens einen zweiten Wellenlängenabschnitt des Lichts, das in dem ersten Interferenzfilter 450 und der ersten reflektierenden Oberfläche 480 reflektiert worden ist und sich nach dem Reflektieren in dem ersten Interferenzfilter 450 in der Gaszelle 101 ausgebreitet hat, zu erfassen. Das zweite Interferenzfilter 460 ist eingerichtet, durch Licht 414 von der Lichtquelle 410, das in dem ersten Interferenzfilter 450 und der ersten reflektierenden Oberfläche 480 reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden. Das zweite Interferenzfilter 460 ist ferner dazu konfiguriert, Lichtstrahlung 415 des zweiten Wellenlängenabschnitts der mittleren IR-Strahlung zu übertragen und mittlere IR-Strahlung 416 außerhalb des zweiten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die zweite Detektionseinheit 430 ist eingerichtet, Licht 415 von der Lichtquelle, das durch das zweite Interferenzfilter 460 übertragen worden ist, zu erfassen. Die dritte Detektionseinheit 440 ist eingerichtet, durch Licht 415 von der Lichtquelle 410, das in dem zweiten Interferenzfilter 460 und der zweiten reflektierenden Oberfläche 490 reflektiert worden ist und sich nach dem Reflektieren in dem zweiten Interferenzfilter 460 vorzugsweise in der Gaszelle 101 ausgebreitet hat, beleuchtet zu werden und wenigstens einen dritten Wellenlängenabschnitt des Lichts 418, das in dem zweiten Interferenzfilter 460 und der zweiten reflektierenden Oberfläche 490 reflektiert worden ist und sich nach dem Reflektieren in dem zweiten Interferenzfilter 460 vorzugsweise in der Gaszelle 101 ausgebreitet hat, zu erfassen.
  • Die Ausbreitung der mittleren IR-Strahlung von der Lichtquelle 410 durch die Gaszelle zur ersten Detektionseinheit 420 über das erste Interferenzfilter 450 kann einen ersten Absorptionsweg ausbilden. Des Weiteren kann die Ausbreitung der mittleren IR-Strahlung von der Lichtquelle 410 durch die Zelle zu der zweiten Detektionseinheit 430 über das erste Interferenzfilter 450, die erste Reflexionsoberfläche 480 und das zweite Interferenzfilter 460 einen zweiten Absorptionsweg ausbilden. Ferner kann die Ausbreitung der mittleren IR-Strahlung von der Lichtquelle 410 durch die Zelle zu der dritten Detektionseinheit 440 über das erste Interferenzfilter 450, die erste Reflexionsoberfläche 480, das zweite Interferenzfilter 460, die zweite Reflexionsoberfläche 490 und das dritte Interferenzfilter 470 einen dritten Absorptionsweg ausbilden.
  • Die erste Reflexionsoberfläche 480 und die zweite Reflexionsoberfläche 490 können gekrümmt sein, wodurch sie als Kollimationsreflektoren wirken, um die von der optischen Achse emittierte und/oder seitwärts reflektierte Strahlung einzufangen.
  • Die Interferenzfilter können entlang einer ersten Seite der Gaszelle angeordnet sein und die Reflexionsoberflächen können entlang einer zweiten Seite der Gaszelle angeordnet sein.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Mehrkanalgassensors 500 mit einer Lichtquelle 510, einem ersten Interferenzfilter 550, einem zweiten Interferenzfilter 560, einer ersten Detektionseinheit 520, einer zweiten Detektionseinheit 530, einer dritten Detektionseinheit 540, einer ersten Reflexionsoberfläche 580, einer zweiten Reflexionsoberfläche 590 und zusätzlichen reflektierenden Oberflächen 581, 582, 583. Die Lichtquelle 510, das erste Interferenzfilter 550, die erste Detektionseinheit 520 und die zweite Detektionseinheit 530 sind wenigstens teilweise in einer Gaszelle enthalten. Die Gaszelle ist eingerichtet, ein Gas zu führen. Die Lichtquelle 510 ist eingerichtet, Lichtstrahlung 511 in die Gaszelle zu emittieren. Die von der Lichtquelle 510 emittierte Lichtstrahlung 511 wird auf den zusätzlichen reflektierenden Oberflächen 581, 582, 583 reflektiert, um die optische Weglänge für das Licht in der Gaszelle zu vergrößern, wodurch die Absorptionsweglänge vergrößert wird. Das erste Interferenzfilter 550 ist eingerichtet, durch von der Lichtquelle 510 emittiertes Licht 511 beleuchtet zu werden, das sich über die zusätzlichen reflektierenden Oberflächen 581, 582, 583 durch die Gaszelle ausgebreitet hat, und ist dazu konfiguriert, eine Lichtstrahlung 512 mit einem ersten Wellenlängenabschnitt der Lichtstrahlung zu übertragen und Lichtstrahlung 513 außerhalb des ersten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die erste Detektionseinheit 520 ist eingerichtet, Licht von der Lichtquelle 510, das durch das erste Interferenzfilter 550 übertragen wurde, zu erfassen. Die zweite Detektionseinheit 530 ist eingerichtet, durch Licht 514 von der Lichtquelle, das in dem ersten Interferenzfilter und der ersten reflektierenden Oberfläche 580 reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden und wenigstens einen zweiten Wellenlängenabschnitt des Lichts, das in dem ersten Interferenzfilter 550 und der ersten reflektierenden Oberfläche 580 reflektiert worden ist, zu erfassen. Das zweite Interferenzfilter 560 ist eingerichtet, durch Licht 514 von der Lichtquelle 510, das in dem ersten Interferenzfilter 550 und der ersten reflektierenden Oberfläche 580 reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden. Das zweite Interferenzfilter 560 ist ferner dazu konfiguriert, Lichtstrahlung 515 des zweiten Wellenlängenabschnitts der mittleren IR-Strahlung zu übertragen und mittlere IR-Strahlung 516 außerhalb des zweiten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die zweite Detektionseinheit 530 ist eingerichtet, Licht 515 von der Lichtquelle, das durch das zweite Interferenzfilter 560 übertragen worden ist, zu erfassen. Die dritte Detektionseinheit 540 ist eingerichtet, durch Licht 515 von der Lichtquelle 510, das in dem zweiten Interferenzfilter 560 und der zweiten reflektierenden Oberfläche 590 reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden und wenigstens einen dritten Wellenlängenabschnitt des Lichts 518, das in dem zweiten Interferenzfilter 560 und der zweiten reflektierenden Oberfläche 590 reflektiert worden ist, zu erfassen. Zwischen jeder Reflexion in einem Interferenzfilter breitet sich das Licht vorzugsweise in der Gaszelle aus.
  • Es können ferner zusätzliche reflektierende Oberflächen zwischen dem ersten Interferenzfilter 550 und dem zweiten Interferenzfilter 560 und/oder dem zweiten Interferenzfilter 560 und dem dritten Interferenzfilter 570 bereitgestellt sein, um die optische Weglänge zwischen den verschiedenen Detektionseinheiten weiter zu vergrößern. Die zusätzlichen reflektierenden Oberflächen können gekrümmt sein, wodurch sie als Kollimationsreflektoren wirken, um die von der optischen Achse emittierte und/oder seitwärts reflektierte Strahlung einzufangen.
  • 6a zeigt eine schematische Darstellung eines Mehrkanalgassensors 600 mit einem Gaseinlass 602, einer Lichtquelle 610, einem ersten Interferenzfilter 650, einem zweiten Interferenzfilter 660, einem dritten Interferenzfilter 670, einer ersten Detektionseinheit 620, einer zweiten Detektionseinheit 630, einer dritten Detektionseinheit 640 und einer Reflexionsoberfläche 681. Die Lichtquelle 610, das erste Interferenzfilter 650, die erste Detektionseinheit 620 und die zweite Detektionseinheit 630 sind wenigstens teilweise in einer Gaszelle enthalten. Die Gaszelle ist eingerichtet, ein Gas zu führen. Die Lichtquelle 610 ist eingerichtet, Lichtstrahlung in die Gaszelle zu emittieren. Die von der Lichtquelle 610 emittierte Lichtstrahlung wird auf der reflektierenden Oberfläche 681 reflektiert, um die optische Weglänge für das Licht in der Gaszelle zu vergrößern, wodurch die Absorptionsweglänge vergrößert wird. Das erste Interferenzfilter 650 ist eingerichtet, durch von der Lichtquelle 610 emittiertes Licht beleuchtet zu werden, das sich über die reflektierende Oberfläche 681 durch die Gaszelle ausgebreitet hat, und ist dazu konfiguriert, eine Lichtstrahlung mit einem ersten Wellenlängenabschnitt der Lichtstrahlung zu übertragen und Lichtstrahlung außerhalb des ersten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die erste Detektionseinheit 620 ist eingerichtet, Licht von der Lichtquelle 610, das durch das erste Interferenzfilter 650 übertragen wurde, zu erfassen. Die zweite Detektionseinheit 630 ist eingerichtet, durch Licht von der Lichtquelle, das in dem ersten Interferenzfilter und der reflektierenden Oberfläche 681 reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden und wenigstens einen zweiten Wellenlängenabschnitt des Lichts, das in dem ersten Interferenzfilter 650 und der reflektierenden Oberfläche 681 reflektiert worden ist, zu erfassen. Das zweite Interferenzfilter 660 ist eingerichtet, durch Licht von der Lichtquelle 610, das in dem ersten Interferenzfilter 650 und der reflektierenden Oberfläche 681 reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden. Das zweite Interferenzfilter 660 ist ferner dazu konfiguriert, Lichtstrahlung des zweiten Wellenlängenabschnitts der mittleren IR-Strahlung zu übertragen und mittlere IR-Strahlung außerhalb des zweiten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die zweite Detektionseinheit 630 ist eingerichtet, Licht von der Lichtquelle, das durch das zweite Interferenzfilter 660 übertragen worden ist, zu erfassen. Die dritte Detektionseinheit 640 ist eingerichtet, durch Licht von der Lichtquelle 610, das in dem zweiten Interferenzfilter 660 und der reflektierenden Oberfläche 681 reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden und wenigstens einen dritten Wellenlängenabschnitt des Lichts, das in dem zweiten Interferenzfilter 660 und der reflektierenden Oberfläche 681 reflektiert worden ist, zu erfassen.
  • Der Gaseinlass 602 kann beispielsweise verwendet werden, um die Gaszelle mit einem Gas oder einer Gaszusammensetzung zur Messung zu füllen. Bei dem Gaseinlass 602 kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere Löcher handeln. Der Gaseinlass 602 kann ein Filter, wie etwa ein Partikelfilter, aufweisen. Das Filter kann eine Zusammensetzung zum Bereitstellen eines begrenzten Strömungswiderstands haben. Der Gaseinlass 602 kann auch ein Diffusionseinlass sein. Der Gaseinlass 602 kann ein Gebläse, eine Pumpe oder ähnliche Strömung bereitstellende Anordnungen aufweisen.
  • Die Gaszelle kann ferner einen Gasauslass oder ein Austrittsloch aufweisen. Der Gasauslass kann beispielsweise verwendet werden, um die Gaszelle von einem Gas oder einer Gaszusammensetzung zu leeren. Das Austrittsloch kann auch verwendet werden, um den Druck der Gaszelle zu regeln. Bei dem Gasauslass kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere Löcher handeln. Der Gasauslass kann ferner ein Ventil aufweisen. Der Gasauslass kann auch ein Diffusionsauslass sein. Der Gasauslass kann auf einer anderen Seite als der Gaseinlass 602 angeordnet sein.
  • Das erste Interferenzfilter 650, das zweite Interferenzfilter 660 und das dritte Interferenzfilter 670 können eine durchgehende reflektierende Oberfläche 682 ausbilden.
  • 6b zeigt eine schematische Darstellung eines Strahlengangs in einem Mehrkanalgassensor 600 mit einer Lichtquelle, einem ersten Interferenzfilter, einem zweiten Interferenzfilter, einem dritten Interferenzfilter, einer ersten Detektionseinheit, einer zweiten Detektionseinheit, einer dritten Detektionseinheit und einer Reflexionsoberfläche. Die Lichtquelle, das erste Interferenzfilter, die erste Detektionseinheit und die zweite Detektionseinheit sind wenigstens teilweise in einer Gaszelle enthalten. Die Gaszelle ist eingerichtet, ein Gas zu führen. Die Lichtquelle ist eingerichtet, Lichtstrahlung 611 in die Gaszelle zu emittieren. Die von der Lichtquelle emittierte Lichtstrahlung 611 wird auf der reflektierenden Oberfläche reflektiert, um die optische Weglänge für das Licht in der Gaszelle zu vergrößern, wodurch die Absorptionsweglänge vergrößert wird. Das erste Interferenzfilter ist eingerichtet, durch von der Lichtquelle emittiertes Licht 611 beleuchtet zu werden, das sich über die reflektierende Oberfläche durch die Gaszelle ausgebreitet hat, und ist dazu konfiguriert, eine Lichtstrahlung mit einem ersten Wellenlängenabschnitt der Lichtstrahlung zu übertragen und Lichtstrahlung 613 außerhalb des ersten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die erste Detektionseinheit ist eingerichtet, Licht von der Lichtquelle, das durch das erste Interferenzfilter übertragen worden ist, zu erfassen. Die zweite Detektionseinheit ist eingerichtet, durch Licht 614 von der Lichtquelle, das in dem ersten Interferenzfilter und der reflektierenden Oberfläche reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden und wenigstens einen zweiten Wellenlängenabschnitt des Lichts, das in dem ersten Interferenzfilter und der reflektierenden Oberfläche reflektiert worden ist, zu erfassen. Das zweite Interferenzfilter ist eingerichtet, durch Licht 614 von der Lichtquelle, das in dem ersten Interferenzfilter und der reflektierenden Oberfläche reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden. Das zweite Interferenzfilter ist ferner dazu konfiguriert, Lichtstrahlung des zweiten Wellenlängenabschnitts der mittleren IR-Strahlung zu übertragen und mittlere IR-Strahlung 616 außerhalb des zweiten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren. Die zweite Detektionseinheit ist eingerichtet, Licht von der Lichtquelle, das durch das zweite Interferenzfilter übertragen worden ist, zu erfassen. Die dritte Detektionseinheit ist eingerichtet, durch Licht 617 von der Lichtquelle, das in dem zweiten Interferenzfilter und der reflektierenden Oberfläche reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden und wenigstens einen dritten Wellenlängenabschnitt des Lichts, das in dem zweiten Interferenzfilter und der reflektierenden Oberfläche reflektiert worden ist, zu erfassen.
  • Die Zelle ist eine Zelle mit Mehrfachdurchgang, dies wird beispielsweise in 6b dargestellt. Durch Anordnen der Zelle als eine Zelle mit Mehrfachdurchgang kann die Weglänge in der Zelle vergrößert werden. Beispielsweise kann die Gaszelle als eine White-Zelle konfiguriert sein. Die White-Zelle kann mit drei kugelförmigen, konkaven Spiegeln mit dem gleichen Krümmungsradius angeordnet sein. In dem in 6b dargestellten Fall kann die Reflexionsoberfläche 681 aus mehreren Spiegelelementen bestehen, wie beispielsweise zwei kugelförmigen, konkaven Spiegeln mit dem gleichen Krümmungsradius. Das erste Interferenzfilter, das zweite Interferenzfilter und das dritte Interferenzfilter können eine durchgehende reflektierende Oberfläche ausbilden, bei der es sich um einen kugelförmigen, konkaven Spiegel mit dem gleichen Krümmungsradius wie bei den zwei kugelförmigen, konkaven Spiegeln handelt. Durch Drehen der drei Spiegel können die Anzahl der Reflexionen in der Zelle und dadurch die Weglänge und der Absorptionsweg geregelt werden.
  • Der in den Figuren, wie etwa 6b, dargestellte Strahlengang dient der schematischen Darstellung des Strahlengangs a in einem Mehrkanalgassensor. Die Richtungen des Strahls zwischen den unterschiedlichen Elementen können sich von der Abbildung unterscheiden.
  • Der Mehrkanalgassensor kann ferner eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS), wie etwa einen Knopf oder einen Schalter, aufweisen, der eingerichtet sein kann, den Mehrkanalgassensor von einem ersten Modus in einen zweiten Modus und/oder von einem zweiten Modus in einen ersten Modus zu schalten. Der erste Modus kann abgeschaltet oder ausgeschaltet sein. Der zweite Modus kann betriebsbereit oder eingeschaltet sein.
  • Der Mehrkanalgassensor kann ferner eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS), wie etwa eine Leuchtdiode (LED), aufweisen, die eingerichtet ist, einem Benutzer Statusinformationen zur Verfügung zu stellen. Bei der LED-Anordnung kann es sich wenigstens um eine mehrfarbige LED handeln, wobei die wenigstens eine mehrfarbige LED ein Ergebnis von dem Mehrkanalgassensor anzeigen kann. Beispielsweise kann eine mehrfarbige LED eine Messung weit unter einer Sollwertgrenze durch eine erste Farbe, wie etwa Grün, nahe einer Sollgrenze durch eine zweite Farbe, wie etwa Gelb, und über einer Sollgrenze durch eine dritte Farbe, wie etwa Rot, anzeigen. Eine Messung nahe einer Sollgrenze oder eine unbestätigte Messung kann eine zweite Messung erfordern, dies kann beispielsweise durch eine vierte Farbe oder durch eine blinkende LED angezeigt werden.
  • Der Mehrkanalgassensor kann ferner eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS), wie etwa einen Knopf oder einen Schalter, aufweisen, der eingerichtet ist, den Mehrkanalgassensor von einem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus und/oder von einem zweiten Betriebsmodus in einen ersten Betriebsmodus zu schalten. Der erste Betriebsmodus kann ein Modus eines schnellen Screenings sein. Der zweite Betriebsmodus kann ein Modus einer genauen Messung sein.
  • Der Mehrkanalgassensor kann ferner eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS), wie etwa einen Knopf oder einen Schalter, aufweisen, der eingerichtet ist, den Mehrkanalgassensor zwischen mehreren Betriebsmodi umzuschalten, wie etwa beispielsweise Einzelatemzugmessung, halbkontinuierliche Atem-für-Atem-Messung, kontinuierliche Schnüffelmessung, variable/dynamische Messung und parallele Integrationszeit einer Schätzung der Atemalkoholkonzentration.
  • In Blockdiagrammen werden veranschaulichte Komponenten als getrennte funktionelle Blöcke dargestellt, jedoch sind Ausführungsformen nicht auf Systeme beschränkt, in denen die hierin beschriebene Funktionalität wie veranschaulicht organisiert ist. Die durch jede der Komponenten bereitgestellte Funktionalität kann durch Hardware-Module bereitgestellt sein, die anders organisiert sind als aktuell dargestellt. Die Steuerung des hierin beschriebenen Systems kann durch einen oder mehrere Prozessoren eines oder mehrerer Computer bereitgestellt sein, die Code ausführen, der auf einem materiellen, nicht flüchtigen, maschinenlesbaren Medium gespeichert ist. Ungeachtet der Verwendung des singulären Begriffs „Medium“ können die Anweisungen in einigen Fällen beispielsweise auf unterschiedlichen Speichergeräten, die mit unterschiedlichen Computergeräten verbunden sind, verteilt sein, wobei jedes Computergerät eine andere Teilgruppe der Anweisungen hat. Eine derartige Implementierung gilt als mit der Verwendung des singulären Begriffs „Medium“ hierin übereinstimmend. In einigen Fällen können Content Delivery Networks von Drittanbietern einige oder alle der über Netzwerke übermittelten Informationen hosten, in welchem Fall die Informationen in dem Ausmaß, in dem die Informationen (z. B. Inhalt) geliefert oder anderweitig bereitgestellt werden sollen, zur Verfügung gestellt werden können, indem Anweisungen zum Abrufen dieser Informationen von einem Content Delivery Network gesendet werden.
  • Obwohl bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden sind, versteht der Fachmann, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen innerhalb des in den beigefügten Patentansprüchen definierten Schutzbereichs denkbar sind.

Claims (14)

  1. Mehrkanalgassensor (100, 200, 300, 400, 500, 600), der aufweist: eine Gaszelle (101, 601) mit Mehrfachdurchgang, die eingerichtet ist, das Gas zu führen; eine Lichtquelle (110, 210, 310, 410, 510, 610), die eingerichtet ist, Lichtstrahlung in die Gaszelle zu emittieren; dadurch gekennzeichnet, dass er ferner aufweist: ein erstes Interferenzfilter (150, 250, 350, 450, 550, 650), das eingerichtet ist, durch von der Lichtquelle emittiertes Licht beleuchtet zu werden, das sich durch wenigstens einen Teil der Gaszelle (101, 601) ausgebreitet hat, und dazu konfiguriert ist, einen ersten Wellenlängenabschnitt der Lichtstrahlung zu übertragen und Lichtstrahlung außerhalb des ersten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren; eine erste Detektionseinheit (120, 220, 320, 420, 520, 620), die eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle, das durch das erste Interferenzfilter übertragen wurde, zu erfassen; und eine zweite Detektionseinheit (130, 230, 330, 430, 530, 630), die eingerichtet ist, durch Licht von der Lichtquelle, das in dem ersten Interferenzfilter (150, 250, 350, 450, 550, 650) reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden und wenigstens einen zweiten Wellenlängenabschnitt des Lichts, das in dem ersten Interferenzfilter reflektiert worden ist, zu erfassen, eine Reflexionsoberfläche (681) mit zwei kugelförmigen, konkaven Spiegeln mit dem gleichen Krümmungsradius, wobei das erste Interferenzfilter (150, 250, 350, 450, 550, 650) entlang eines Spiegels (682) angeordnet ist, wobei der Spiegel (682), das erste Interferenzfilter (150, 250, 350, 450, 550, 650), die erste Detektionseinheit (120, 220, 320, 420, 520, 620) und die zweite Detektionseinheit (130, 230, 330, 430, 530, 630) entlang einer ersten Seite der Gaszelle (101, 601) mit Mehrfachdurchgang angeordnet sind und die Reflexionsoberfläche (681) mit zwei konkaven Spiegeln entlang einer zweiten Seite der Gaszelle (101, 601) mit Mehrfachdurchgang angeordnet ist, wobei die zweite Detektionseinheit derart angeordnet ist, dass sich der zweite Wellenlängenabschnitt, der in dem ersten Interferenzfilter (150, 250, 350, 450, 550, 650) reflektiert wird, in der Gaszelle (101, 601) ausgebreitet hat, bevor er die zweite Detektionseinheit beleuchtet.
  2. Mehrkanalgassensor (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Lichtstrahlung um mittlere Infrarot(IR)-Strahlung handelt; und das erste Interferenzfilter (150, 250, 350, 450, 550, 650) dazu konfiguriert ist, mittlere IR-Strahlung außerhalb des ersten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren.
  3. Mehrkanalgassensor (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 2, der ferner Folgendes aufweist: ein zweites Interferenzfilter (260, 360, 460, 560, 660), das eingerichtet ist, durch Licht von der Lichtquelle, das in dem ersten Interferenzfilter (150, 250, 350, 450, 550, 650) reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden, und dazu konfiguriert ist, den zweiten Wellenlängenabschnitt der mittleren IR-Strahlung zu übertragen und mittlere IR-Strahlung außerhalb des zweiten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren, wobei die zweite Detektionseinheit (130, 230, 330, 430, 530, 630) eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle, das durch das zweite Interferenzfilter (260, 360, 460, 560, 660) übertragen worden ist, zu erfassen, wobei das zweite Interferenzfilter (260, 360, 460, 560, 660) entlang desselben Spiegels (682) angeordnet ist wie das erste Interferenzfilter (150, 250, 350, 450, 550, 650).
  4. Mehrkanalgassensor (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner Folgendes aufweist: eine dritte Detektionseinheit (340, 440, 540, 640), die eingerichtet ist, durch Licht von der Lichtquelle, das in dem zweiten Interferenzfilter (260, 360, 460, 560, 660) reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden und wenigstens einen dritten Wellenlängenabschnitt des Lichts, das in dem zweiten Interferenzfilter (260, 360, 460, 560, 660) reflektiert worden ist, zu erfassen.
  5. Mehrkanalgassensor (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 4, wobei die dritte Detektionseinheit (340, 440, 540, 640) derart angeordnet ist, dass der dritte Wellenlängenabschnitt nach dem Ausbreiten durch die Gaszelle (101, 601) nach dem Reflektieren an dem zweiten Interferenzfilter (260, 360, 460, 560, 660) erfasst wird.
  6. Mehrkanalgassensor (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner Folgendes aufweist: ein drittes Interferenzfilter (470, 570, 670), das eingerichtet ist, durch Licht von der Lichtquelle, das in dem zweiten Interferenzfilter (260, 360, 460, 560, 660) reflektiert worden ist, beleuchtet zu werden, und dazu konfiguriert ist, den dritten Wellenlängenabschnitt der Lichtstrahlung zur dritten Detektionseinheit (340, 440, 540, 640) zu übertragen und Lichtstrahlung außerhalb des dritten Wellenlängenabschnitts zu reflektieren, wobei die dritte Detektionseinheit (340, 440, 540, 640) eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle, das durch das dritte Interferenzfilter (470, 570, 670) übertragen worden ist, zu erfassen, und wobei das dritte Interferenzfilter (470, 570, 670) entlang desselben Spiegels (682) angeordnet ist wie das erste Interferenzfilter (150, 250, 350, 450, 550, 650).
  7. Mehrkanalgassensor (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Interferenzfilter Bandpassfilter sind.
  8. Mehrkanalgassensor (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 7, wobei die Wellenlängenabschnitte ausgewählt sind, entweder eine Wellenlänge von 2,7 µm, 3,4 µm oder 4,25 µm aufzuweisen.
  9. Mehrkanalgassensor (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und Anspruch 4, wobei die Interferenzfilter Bandpassfilter sind; der erste Wellenlängenabschnitt ausgewählt ist, 3,4 µm aufzuweisen; der zweite Wellenlängenabschnitt ausgewählt ist, 2,7 µm aufzuweisen; und der dritte Wellenlängenabschnitt ausgewählt ist, 4,25 µm aufzuweisen.
  10. Mehrkanalgassensor (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle (110, 210, 310, 410, 510, 610) einen schwarzen Strahler und ein Filter, das eingerichtet ist, mittlere IR-Strahlung zu übertragen, aufweist, wobei das Filter zwischen dem schwarzen Strahler und der Gaszelle (101, 601) angeordnet ist.
  11. Mehrkanalgassensor (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 10, wobei der schwarze Strahler eine Glühlampe ist.
  12. Mehrkanalgassensor (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mittlere IR-Strahlung IR-Strahlung mit einer Wellenlänge unter 5 µm ist.
  13. Mehrkanalgassensor (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaszelle aus gegossenem Kunststoff hergestellt ist.
  14. Mehrkanalgassensor (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mehrkanalgassensor ein nichtdispersiver Infrarotsensor (NDIR) ist.
DE112020003132.2T 2019-06-25 2020-06-09 Mehrkanalgassensor Active DE112020003132B4 (de)

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